Шаговый двигатель устройство, принцип работы, область применения

Шаговые электроприводы НПФ Электропривод — Силовая электроника

Сергей Сергеев

В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем.

Шаговый двигатель — это синхронная электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в угловое или линейное перемещение ротора с возможностью его остановки в некоторых фиксированных положениях с сохранением стабилизирующего момента. Принцип действия всех существующих шаговых двигателей основан на дискретном изменении состояния электромагнитного поля в рабочем зазоре электрической машины.

При проектировании электромеханических систем часто приходится делать выбор между шаговым электроприводом и сервоприводом.

Сервопривод состоит из контроллера, драйвера, двигателя постоянного тока или синхронного двигателя и датчика обратной связи. Контроллер сервопривода обрабатывает сигналы датчика. Крутящий момент обеспечивается регулировкой питающего тока.

Шаговый электропривод состоит только из контроллера, драйвера и шагового двигателя. Сведений о положении ротора контроллер не имеет, но оно с большой долей вероятности предсказуемо, поэтому датчик обратной связи не используется.

Достоинства шагового электропривод:

  • максимальный крутящий момент на низких скоростях;
  • высокая точность позиционирования;
  • простая схема управления;
  • низкая стоимость.
  • высокие динамические характеристики;
  • плавность движения.

Недостатки шагового электропривод:

  • потеря крутящего момента на высоких скоростях;
  • резонанс шагового двигателя;
  • возможна потеря контроля над положением ротора ввиду отсутствия обратной связи.
  • колебательные процессы в контуре обратной связи;
  • сложная схема управления.

Современные системы управления шаговыми электроприводом обычно имеют отделенные друг от друга контроллер (рис. 1) и драйвер (рис. 2). Связано это с тем, что у правильно спроектированного драйвера довольно сложный алгоритм дробления шага, позволяющий уменьшить величину минимального перемещения и избежать резонансных явлений. Такое разделение позволяет легко использовать для управления шаговыми электроприводом как специализированные контроллеры, сделанные под узкий спектр задач, так и LPT-порт персонального компьютера. Драйвер шагового двигателя для пользователя является универсальным устройством, на вход которого подается лишь силовое питание для двигателя и стандартные сигналы «направление» и «шаг». На драйвере выставляются только величина тока в фазах двигателя и коэффициент дробления шага.

Использование в качестве контроллера шаговых двигателей персонального компьютера получило широкое распространение в малых токарных и фрезерных станках как вариант замены промышленной стройки ЧПУ. Современное программное обеспечение позволяет контур или трехмерную модель, сделанную, например, в AutoCAD, сразу выводить как на принтер, так и на станок с ЧПУ.

Специализированные контроллеры шаговых электроприводов, такие как трехканальный контроллер SMC-3, выпускаемый НПФ Электропривод, предназначены в основном для задач автоматизации технологических процессов. Каждый из каналов контроллера SMC-3 выполнен на микроконтроллере ATMega8 и работает по исполнительной программе, содержащейся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Исполнительная программа записывается с помощью ПК через интерфейс RS-232. Все три канала подключены к одному порту RS-232 и «слушают» шину одновременно. Обмен устройства с ПК осуществляется по принципу «команда — ответ». Ответ содержит параметр, сообщающий ПК об успешном или неуспешном выполнении команды с указанием номера ошибки. Ответ приходит от того контроллера, который распознал свой номер, содержащийся в управляющей команде. Если команда ошибочна и не распознана ни одним из микроконтроллеров, все каналы находятся в дежурном режиме, ответ (сообщение об ошибке команды) приходит от контроллера № 1. Выполнение исполнительной программы контроллером заключается в чтении очередной команды из энергонезависимой памяти и в выдаче соответствующих команд управляющих сигналов на драйвер ШД. Одновременно осуществляется анализ сигналов от выключателей реверса и аварийных концевых выключателей. Перечень команд охватывает все возможные варианты работы шагового двигателя — работа в статическом режиме, движение с постоянной скоростью, движение с ускорением, изменение направления движения, переключение величины дробления шага, синхронизация шаговых двигателей соседних каналов. Контроллер SMC-3 не позволяет в полной мере поддерживать графические интерфейсы ПК, однако ориентированная на неподготовленного пользователя программа верхнего уровня обеспечивает интуитивно понятный доступ к полному набору команд контроллера. Раздельное исполнение контроллера SMC-3 и драйверов позволяет одинаково просто управлять шаговыми электроприводами в диапазоне мощностей 0,005–1,5 кВт.

Шаговый двигатель — компактное исполнительное устройство с большим крутящим моментом, составляющее конкуренцию сервоприводам во многих приложениях, в которых требуются низкая скорость и высокая точность позиционирования. Примеры использования шаговых электроприводов — станки с ЧПУ, намоточное оборудование, механизмы протяжки проволоки, фольги, контрольно-сортировочные автоматы, сварочные роботы, этикетировщики.

Шаговый двигатель своими руками, принцип работы, схема подключения

Для работы любого электрического прибора, необходим специальный приводной механизм. Шаговый двигатель, является одним из таких устройств. Сегодня есть большой выбор разнообразных электродвигателей, разделяющихся по типу и по схеме драйвера, которым управляет контроллер.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это синхронное электромеханическое устройство, которое передает сигнал управления в механическое движения ротора. Вращение происходит шагами, которые фиксируются в определенном положении.

Принцип работы шагового двигателя

При прикладывании напряжения к клеммам, щетки электродвигателя запускаются и начинают беспрерывно вращаться. Движок холостого хода обладает особым свойством, это превращение входящих импульсов прямоугольной направленности в заранее установленное положение приложенного ведущего вала.

Вал сдвигается под фиксированным углом с каждым импульсом. Если вокруг центрального куска железа зубчатой формы расположены несколько зубчатых электромагнитов, то устройства с таким редуктором достаточно эффективны. Микроконтроллер возбуждает электромагниты. Один зубчатый электромагнит под воздействием энергии притягивает зубья зубчатого колеса к своей поверхности, таким образом, вал двигателя делает поворот. Когда зубья выровнены по отношению к электромагниту, они немного смещаются к соседней магнитной детали.

Чтобы шестеренка начала вращение и выровнялась с предыдущим колесом, первый электромагнит отключается, а следующий включается. Затем весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо. Такое вращение называют постоянным шагом. Подсчитав количество шагов при полном обороте двигателя, определяется скорость его вращения.

Читайте также:  ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R и его реализация на микроконтроллере

Модели шаговых двигателей

Шаговые двигатели по конструкции ротора делятся на три типа: реактивный, с постоянными магнитами и гибридный.

  1. В настоящее время синхронные реактивные двигатели применяются редко. Их используют, когда нужен небольшой момент и слишком большой угол поворота шага. Ротор изготовлен из магнитомягкого материала с отчетливыми полюсами, имеет большой угол шага, при отсутствии тока нет фиксирующего момента. Это самый простой и дешевый двигатель. Статор состоит из шести полюсов и трех фаз, а ротор имеет четыре полюса. При этом шаг устройства составляет 30 градусов. Вращающееся магнитное поле создается последовательным включением фаз статора. Ротор за один шаг поворачивается на угол меньше угла статора, так происходит из-за меньшего количества полюсов.
  2. Двигатель с постоянными магнитами состоит из ротора на постоянных магнитах и статора с двумя фазами. В отличие от реактивных устройств, у двигателей на постоянных магнитах после снятия управляющего сигнала ротор фиксируется. Так, происходит благодаря большим вращающим моментам. Так как процесс изготовления ротора сопровождается большими технологическими трудностями (большое число полюсов+постоянные магниты), получается большой угловой шаг до 90 градусов. Это является их единственным недостатком. При работе с однополярной схемой управления обмотки в центре могут быть с ответвлением. Обмотки без центрального ответвления питаются через двуполярную схему управления. Исходя из этого устройство шагового двигателя разделяется на два типа по виду обмоток, униполярные и биполярные.

Униполярный. Изменять расположение магнитных полюсов можно, не меняя при этом направленность тока. Достаточно включить отдельно каждую фазу обмотки. Устройство состоит из одной обмотки на фазу с расположенным в центре ответвлением.

Биполярный . У таких двигателей на фазу приходится одна обмотка, нет общего вывода, а есть два — на фазу. Благодаря этому биполярные устройства обладают наибольшей мощностью, чем униполярные. Для изменения магнитных полярностей полюсов, в обмотке изменяют направления тока.

Гибридный двигатель

Чтобы уменьшить угол шага, был разработан гибридный шаговый двигатель. В свою конструкцию, он включает лучшие свойства двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя. Ротор представлен в виде намагниченного вдоль продольной оси цилиндрического магнита. Статор состоит из двух или четырех фаз, которые размещены между парами явно выраженных полюсов.

Как запустить шаговый двигатель, его управление

Работа по подключению и управлению шагового двигателя будет зависеть от того, каким образом вы хотите запустить устройство и сколько проводов находится на приводе. Шаговые электродвигатели могут иметь от 4 до 8 проводов, поэтому для их подключения используют определенную схему.

  • С четырьмя проводами. Каждая фазная обмотка имеет по два провода. Чтобы подсоединить драйвер пошагово, нужно найти парные провода с непрерывной связью между ними. Такой двигатель используется только с биполярным прибором.
  • С пятью проводами. Центральные клеммы мотора внутри объединяются в сплошной кабель и выведены к одному проводу. Отделить обмотки друг от друга невозможно, так как появится много разрывов. Выйти из положения можно, если установить где находится центр провода и попытаться соединить его с другими проводниками. Это самый эффективный и безопасный режим. Затем устройство подключается и проверяется на работоспособность.
  • С шестью проводами. Каждая обмотка имеет несколько проводов и центр-кран. Для разделения провода применяют измерительный прибор. Мотор можно подключать к однополярному и биполярному устройству. При подключении к однополярному устройству используются все провода. Для биполярного устройства один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Для управления шаговым двигателем требуется контроллер. Контроллер, это схема, подающая напряжение к одной из катушек статора. Контроллер изготовлен на базе интегральной микросхемы типа ULN 2003 включающей в себя комплект составных ключей. Каждый ключ имеет на выходе защитные диоды, которые, позволяют подключать индукционные нагрузки, не требуя дополнительной защиты.

Как работает шаговый двигатель?

Устройство может работать в трех режимах:

  • Микрошаговый режим. Устройства, работающие на микрошагововом режиме, являются новейшими разработками некоторых производителей и используются в основном в микроэлектронике или на промышленных конвейерах. Специальный чип создает такое напряжение, что вал становится в положение одной сотой шага, к примеру, на 1 оборот происходит 20 тыс. перемещений. Драйвер может создавать более 50 тысяч циклов управляющих напряжений на 1 оборот.
  • Половинный режим. Благодаря тому, что в режиме половинного шага уровень вибраций сокращается, такие устройства часто используются в промышленности. После того как одна фаза активируется, она замирает в таком положении до тех пор, пока не включится следующая. Получается промежуточное положение и на зуб воздействуют одновременно два полюса. Когда первая фаза отключается, ротор продвигается вперед на полшага.
  • Полный режим. Управляющее напряжение по очереди передается по всем фазам и получается полный шаг (на 1 оборот 200 перемещений).

Техническая характеристика шагового двигателя

В области электротехники и механики шаговый электродвигатель считается сложным устройством, которое включает в себя множество механических и электрических возможностей. На практике применяются следующие технические характеристики:

  1. Номинальный ток и напряжение. Максимально допустимый ток указан в механических параметрах электродвигателя. Номинальный ток, является главным электрическим параметром, при котором двигатель может работать сколько угодно времени. Номинальное напряжение указывают редко, его вычисляют по закону Ома. Оно показывает постоянное максимальное напряжение на обмотке двигателя, когда он находится в статическом режиме.
  2. Сопротивление фазы. Параметр показывает какое максимальное напряжение можно подавать на обмотку фазы.
  3. Индуктивность фазы. Насколько быстро будет увеличиваться ток в обмотке показывает этот параметр. Чтобы ток быстрее увеличивался при переключении фаз на высоких частотах, напряжение приходится делать больше.
  4. Число полных шагов за 1 оборот. Параметр показывает насколько электродвигатель точен, его плавность и допустимую способность.
  5. Вращающий момент. Механические данные показывают частоту вращения, которая зависит от момента вращения. Параметр указывает максимальное время вращения электродвигателя.
  6. Удерживающая фаза. Эта фаза показывает момент вращения при остановленном устройстве. Две фазы устройства должны быть запитаны номинальным током.
  7. Момент ступора. Во время отсутствия напряжения питания, он необходим для того, чтобы вал электродвигателя можно было провернуть.
  8. Время энерции ротора. Означает как быстро разгоняется двигатель. Чем показатель меньше, тем скорость разгона больше.
  9. Пробивное напряжение. Параметр относится к разделу электробезопасности и показывает наименьшее напряжение, пробивающее изоляцию между корпусом и обмотками устройства.
Читайте также:  Почему мазда сх 7 б у так дешево стоит

Введение в устройство шаговых двигателей

Если вы когда-либо имели удовольствие демонтировать старый принтер, чтобы сохранить электронные компоненты, то можете столкнуться с множеством цилиндрических загадочных моторов с 4 или более проводами, выступающими из сторон. Возможно, вы слышали характерное жужжание настольного 3D-принтера или глючную электромеханическую симфонию дисков в CD приводе? Если так, то вы столкнулись с шаговым двигателем!

Шаговые двигатели заставляют электромеханический мир вращаться ( с более высоким крутящим моментом!), но в отличие от обычного двигателя постоянного тока, управление шаговым двигателем требует чуть больше, чем ток через два провода. В этой статье будет рассказано о теории проектирования и эксплуатации шагового двигателя. Как только рассмотрим основы, автор данного руководства покажет, как построить простые схемы для управления шаговыми двигателями, а затем как использовать специальные микросхемы драйверов.

Шаг 1: Что делает мотор шаговым двигателем?

Кому может понадобиться более двух проводов и Н-мост? Зачем? Ну, в отличие от обычных щеточных двигателей постоянного тока, построенных для максимального числа оборотов (или кВ для RC), шаговые двигатели представляют собой бесщеточные двигатели, рассчитанные на высокий крутящий момент (впоследствии меньшую скорость) и более точное вращательное движение. В то время как типичный двигатель постоянного тока отлично подходит для вращения гребного винта на высокой скорости для достижения максимальной тяги, шаговый двигатель лучше подходит для прокатки листа бумаги синхронно со струйным механизмом внутри принтера или для осторожного вращения вала линейного рельса в мельнице с ЧПУ.

Внутри шаговые двигатели являются более сложными, чем простой двигатель постоянного тока, с несколькими катушками вокруг сердечника с постоянными магнитами, но с этой дополнительной сложностью обеспечивается больший контроль. Благодаря тщательному расположению катушек, встроенных в статор, ротор шагового двигателя может вращаться с заданным шагом, изменяя полярность между катушками и переключая их полярность в соответствии с установленной схемой зажигания. Шаговые двигатели не все сделаны одинаковыми, и для их внутреннего исполнения требуются уникальные (но базовые) схемы. Обсудим наиболее распространенные типы шаговых двигателей на следующем шаге.

Шаг 2: Типы шаговых двигателей


Есть несколько различных конструкций шаговых двигателей. К ним относятся однополярное, биполярное, универсальное и переменное сопротивление. Мы будем обсуждать конструкцию и работу биполярных и однополярных двигателей, так как это наиболее распространенный тип двигателя.

У однополярных двигателей обычно есть пять, шесть или восемь проводных выводов, идущих от основания, и одна катушка на фазу. В случае пятипроводного двигателя пятый провод представляет собой соединенные центральные отводы пар катушек. В шестипроводном двигателе каждая пара катушек имеет собственный центральный отвод. В двигателе с восемью проводами каждая пара катушек полностью отделена от других, что позволяет подключать ее в различных конфигурациях. Эти дополнительные провода позволяют приводить в действие однополярные двигатели непосредственно от внешнего контроллера с простыми транзисторами, чтобы управлять каждой катушкой отдельно. Схема зажигания, в которой приводится в действие каждая катушка, определяет направление вращения вала двигателя. К сожалению, учитывая, что за один раз подается только одна катушка, удерживающий момент однополярного двигателя всегда будет меньше, чем у биполярного двигателя того же размера. Обойдя центральные отводы однополярного двигателя, он теперь может работать как биполярный двигатель, но для этого потребуется более сложная схема управления. На четвертом шаге этой статьи мы приведем в действие однополярный двигатель, который должен прояснить некоторые из представленных выше концепций.

Биполярные двигатели, как правило, имеют четыре провода и являются более прочными, чем однополярный двигатель сравнительного размера, но поскольку у нас есть только одна катушка на фазу, нам нужно повернуть ток через катушки, чтобы перейти на один шаг. Наша потребность изменить ток означает, что мы больше не сможем управлять катушками напрямую с помощью одного транзистора, вместо этого — полная цепь h-моста. Построение правильного h-моста утомительно (не говоря уже о двух!), Поэтому мы будем использовать выделенный драйвер биполярного двигателя (см. Шаг 5).

Шаг 3: Понимание спецификаций шагового двигателя



Давайте поговорим о том, как определить технические характеристики двигателя. Если вы встречали двигатель квадратного сечения с определенной сборкой из трех частей (см. Рисунок три), скорее всего, это двигатель NEMA. Национальная ассоциация производителей электрооборудования имеет определенный стандарт для спецификаций двигателя, использующий простой буквенный код для определения диаметра лицевой панели двигателя, типа крепления, длины, фазного тока, рабочей температуры, фазного напряжения, шагов на оборот и проводки.

Чтение паспорта двигателя

Для следующего шага будет использован этот однополярный мотор. Выше приложена таблица данных. И хотя она краткая, она предоставляет нам все, что нам нужно для правильной работы. Давайте разберем, что в списке:

Читайте также:  Как поднять участок советы профессионалов по отсыпке

Фаза: это четырехфазный однополярный мотор. Внутренне двигатель может иметь любое количество реальных катушек, но в этом случае они сгруппированы в четыре фазы, которые могут управляться независимо.

Шаг угла: При приблизительном разрешении 1,8 градусов на шаг мы получим 200 шагов на оборот. Хотя это является механическим разрешением, с помощью микроперехода мы можем увеличить это разрешение без каких-либо изменений двигателя (подробнее об этом в шаге 5).

Напряжение: номинальное напряжение этого двигателя составляет 3 вольта. Это функция тока и номинальных сопротивлений двигателя (закон Ома V = IR, следовательно, 3V = 2A * 1,5Ω)

Ток: сколько тока нужно этому двигателю? Два ампера на фазу! Эта цифра будет важна при выборе наших силовых транзисторов для базовой схемы управления.

Сопротивление: 1,5 Ом на фазу ограничит то, какой ток мы можем подать на каждую фазу.

Индуктивность: 2,5 мГн. Индуктивная природа катушек двигателя ограничивает скорость зарядки катушек.

Удерживающий момент: это то, сколько фактической силы мы можем создать, когда на шаговый двигатель подано напряжение.

Момент удержания: это то, какой момент удержания мы можем ожидать от двигателя, когда он не находится под напряжением.

Класс изоляции: класс B является частью стандарта NEMA и дает нам рейтинг в 130 градусов Цельсия. Шаговые двигатели не очень эффективны, и постоянное потребление максимального тока означает, что они будут сильно нагреваться при нормальной работе.

Показатели обмотки: диаметр провода 0,644 мм., количество витков в диаметре 15,5, сечение 0,326 мм2

Определение пар катушек

Хотя сопротивление обмоток катушки может варьироваться от двигателя к двигателю, если у вас есть мультиметр, вы можете измерить сопротивление на любых двух проводах, если сопротивление Шаг 4: Непосредственное управление шаговыми двигателями

Благодаря расположению проводов в однополярном двигателе мы можем последовательно включать катушки, используя только простые силовые полевые МОП-транзисторы. На рисунке выше показана простая схема с МОП-транзистором. Такое расположение позволяет просто контролировать уровень логики с помощью внешнего микроконтроллера. В этом случае легче всего использовать плату Intel Edison с коммутационной платой в стиле Arduino, чтобы получить легкий доступ к GPIO (однако подойдет любой микро с четырьмя GPIO). Для этой схемы используется транзистор IRF510 N-канальный мощный MOSFET. IRF510, способный потреблять до 5,6 ампер, будет иметь достаточно свободной мощности, чтобы удовлетворить потребности двигателя в 2 амперах. Светодиоды не нужны, но они дадут вам хорошее визуальное подтверждение последовательности работы. Важно отметить, что IRF510 должен иметь логический уровень не менее 5 В, чтобы он мог потреблять достаточный ток для двигателя. Мощность двигателя в этой цепи будет 3 В.

Полное управление однополярным двигателем с помощью этой настройки очень простое. Для того, чтобы вращать двигатель, нам нужно включить фазы в заданном режиме, чтобы он вращался правильно. Чтобы вращать двигатель по часовой стрелке, мы будем управлять фазами следующим образом: A1, B1, A2, B2. Чтобы вращать против часовой стрелки, мы просто изменим направление последовательности на B2, A2, B1, A1. Это хорошо для базового контроля, но что, если вы хотите большей точности и меньше работы? Давайте поговорим об использовании выделенного драйвера, чтобы сделать всё намного проще!

Шаг 5: Платы драйверов шаговых двигателей


Если вы хотите приступить к управлению биполярными двигателями (или однополярными двигателями в биполярной конфигурации), вам нужно взять специальную плату управления драйвером. На фото выше изображен драйвер Big Easy Driver и плата-носитель драйвера шагового двигателя A4988. Обе эти платы являются печатными платами для микрошагового двухполюсного драйвера шагового двигателя Allegro A4988, который на сегодняшний день является одним из наиболее распространенных чипов для привода небольших шаговых двигателей. Помимо наличия необходимых двойных h-мостов для управления биполярным двигателем, эти платы дают много возможностей для крошечной недорогой упаковки.

Эти универсальные платы имеют удивительно низкое соединение. Вы можете начать управлять двигателем, используя только три соединения (только два GPIO) с вашим главным контроллером: общее заземление, шаг и направление. Ступенчатый шаг и его направление остаются плавающими, так что нужно привязать их к опорному напряжению с нагрузочным резистором. Импульс, посылаемый на вывод STEP, будет перемещать двигатель на один шаг с разрешением в соответствии с эталонными выводами микрошага. Логический уровень на выводе DIR определяет, будет ли двигатель вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки.

В зависимости от того, как установлены выводы M1, M2 и M3, вы можете добиться увеличения разрешения двигателя с помощью микрошагования. Микрошаг включает в себя посылку разнообразных импульсов, чтобы тянуть двигатель между электромагнитным разрешением физических магнитов в роторе, обеспечивая очень точное управление. A4988 может перейти от полного шага до разрешения шестнадцатого шага. С нашим двигателем 1,8 градуса это обеспечит до 3200 шагов за оборот. Поговорим о мелких деталях!

Подключение двигателей может быть легким, но как насчет управления ими? Посмотрите эти готовые библиотеки кода для управления шаговыми двигателями:

Stepper — классика, встроенная в Arduino IDE, позволяет выполнять базовый шаг и управление скоростью вращения.

AccelStepper — гораздо более полнофункциональная библиотека, которая позволяет лучше управлять несколькими двигателями и обеспечивает правильное ускорение и замедление двигателя.

Intel C ++ MRAA Stepper — библиотека более низкого уровня для тех, кто хочет углубиться в управление необработанным шаговым двигателем C ++ с помощью Intel Edison.

Этих знаний должно быть достаточно, чтобы вы поняли как работать с шаговыми двигателями в электромеханическом мире, но это только начало.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector