Шаговый двигатель для; чайников

Шаговый двигатель для «чайников»

Как и все двигатели, шаговые двигатели состоит из статора, ротора. Ротор представляет собой набор постоянных магнитов, а статор имеет катушки. схематично шаговый двигатель будет выглядеть следующим образом:

Это 4 катушки расположенные под углом 90 ° между собой. В приведенном выше рисунке, катушки не связаны друг с другом. 1 шаг такого двигателя будет равен 90 градусов. ток на катушки подается в циклическом порядке, один за другим. Направление вращения вала определяется в какой последовательности запитываются катушки. Следующая анимация показывает шаговый двигатель в работе. на катушки подается напряжением с интервалом 1 с. Вал вращается 90 градусов каждый раз, когда очередной виток включается:

Режимы работы
В этом разделе я объясню более подробно.
Волновой Привод или Single-Coil (подключение одной обмотки)
Single-Coil означает, что только одна катушка находится под напряжением. Этот метод используется редко, как правило, когда не требуется экономия энергии. данный режим включения обеспечивает менее половины номинального крутящего момента двигателя.

Этот мотор будет иметь 4 шага на полный оборот, то есть номинальное количество шагов в цикле.

Полный шаг
Второй и наиболее часто используемый метод, Полный шаг. Согласно этому методу, катушки запитываются попарно. т.к. соединение обмоток (последовательно или параллельно) двигателя потребуется удвоить напряжение или ток в два раза для работы, которую необходимо при движении с Single-Coil возбуждения. Данный метод дает 100% номинального момента двигателя.
Этот мотор будет иметь 4 шага на полный цикл, то есть номинальный ряд шагов в цикле.

Полушаг
Это очень интересный способ для достижения двойной точности системы позиционирования, не меняя ничего из оборудования! Согласно этому методу, все катушки могут находиться под напряжением, одновременно, заставляет ротор занимать промежуточное положение. Следующие картинка пояснит:
вращение шагового двигателя

полушаг две катушки запитываются

С помощью этого метода, так же двигатель будет иметь в два раза больше шагов, таким образом удвоить точность позиционирования. Например, этот мотор будет иметь 8 шагов в цикле!

Микрошаговый
Microstepping является наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями в настоящее время. Идея микрошагового режима, заключается в том что напряжение подается не импульсами, но сигналом похожим на ступенчатую синусоиду. Таким образом, позиционирование от одного шага к другому более плавным, что делает двигатель шаговый подходит для использования для приложений с высокой точностью, таких как системы с ЧПУ позиционирования. Кроме того, шаговый двигатель работает более плавно. С микрошагом, шаговый двигатель может вращаться почти непрерывно, как и простые двигатели постоянного тока.
Вот несколько примеров:

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Шаговые двигатели постоянного тока получили широкое распространение в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основным отличием данного электромотора является принцип его работы. Вал шагового электродвигателя не вращается длительное время, а лишь поворачивается на определенный угол. Этим обеспечивается точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Электропитание такого двигателя дискретное, то есть осуществляются импульсами. Эти импульсы и поворачивают вал на определенный угол, каждый такой поворот называется шагом, отсюда и пошло название. Зачастую данные электромоторы работают в тандеме с редуктором для повышения точности установки и момента на валу, и с энкодером для отслеживания положения вала в текущий момент. Эти элементы необходимы для передачи и преобразования угла вращения. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик об устройстве, принципе работы и назначении шаговых двигателей.

• Как устроен шаговый двигатель
• Принцип действия
• Виды и типы по полярности или типу обмоток
• Типы двигателей по конструкции ротора
• Управление ШД
• Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

Как устроен шаговый двигатель

По своему типу это бесколлекторный синхронный электродвигатель. Состоит из статора и ротора. На роторе обычно расположены секции, набранные из листов электротехнической стали (на фотографии это «зубчатая» часть), а те, в свою очередь, разделены постоянными магнитами. На статоре расположены обмотки, в виде отдельных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях применяются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы был рассмотрен на базе биполярной машины. Такая конструкция предусматривает использование разных фаз для питания обмоток. Схема очень сложна и требует дорогостоящих и мощных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой схеме начало обмоток подключены к общему «плюсу». На вторые выводы обмоток поочередно подается «минус». Тем самым обеспечивается вращение ротора.

Биполярные шаговые двигатели более мощные, крутящий момент у них на 40% больше чем в униполярных. Униполярные электромоторы гораздо более удобны в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

• с постоянным магнитом;
• с переменным магнитным сопротивлением;
• гибридные.

ШД с постоянными магнитами на роторе устроен также, как и в рассмотренных выше примерах. Единственным отличием является то, что в реальных машинах количество магнитов гораздо больше. Распределены они обычно на общем диске. Количество полюсов в современных моторах доходит до 48. Один шаг в таких электромоторах составляет 7,5°.

Электромоторы с переменным магнитным сопротивлением. Ротор данных машин изготавливается из магнитомягких сплавов, их также называют «реактивный шаговый двигатель». Ротор собирается из отдельных пластин и в разрезе выглядит как зубчатое колесо. Такая конструкция необходима для того, чтобы через зубцы замыкался магнитный поток. Основным достоинством такой конструкции является отсутствие стопорящего момента. Дело в том, что ротор с постоянными магнитами притягивается к металлическим деталям электромотора. И провернуть вал при отсутствии напряжения на статоре достаточно тяжело. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенным минусом является небольшой крутящий момент. Шаг подобных машин обычно составляет от 5° до 15°.

Гибридный ШД был разработан для объединения лучших характеристик двух предыдущих типов. Такие двигатели имеют маленький шаг в пределах от 0,9 до 5°, обладают высоким моментом и удерживающей способностью. Самым важным плюсом является высокая точность работы устройства. Такие электромоторы применяются в самом современном высокоточном оборудовании. К минусам можно отнести только их высокую стоимость. Конструктивно ротор данного устройства представляет собой намагниченный цилиндр, на котором расположены магнитомягкие зубцы.

Для примера в ШД на 200 шагов используются два зубчатых диска с числом зубцов 50 штук на каждом. Диски смещены относительно друг друга на ползуба так, что впадина положительного полюса совпадает с выступом отрицательного и наоборот. Благодаря этому у ротора есть 100 полюсов с обратной полярностью.

То есть и южный, и северный полюс может сместиться относительно статора в 50 различных положений, а в сумме 100. А смещение фаз на четверть дает еще 100 позиций, производится это за счет последовательного возбуждения.

Управление ШД

Управление производится следующими методами:

1. Волновой. В данном методе напряжение подается только на одну катушку, к которой и притягивается ротор. Так как задействована только одна обмотка крутящий момент ротора небольшой, и не подходит для передачи больших мощностей.
2. Полношаговый. В данном варианте возбуждаются сразу две обмотки, благодаря чему обеспечивается максимальный момент.
3. Полушаговый. Объединяет первые два метода. В данном варианте напряжение подается сначала на одну из обмоток, а затем на две. Таким образом реализуется большее количество шагов, и максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор при больших скоростях.
4. Микрошаговое регулирование производится подачей микроступенчатых импульсов. Такой метод обеспечивает плавное вращение ротора и снижает рывки при работе.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

• высокие скорости пуска, остановки, реверса;
• вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
• четкая фиксация положения после остановки;
• высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
• высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
• поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.

• возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
• вероятность резонанса;
• сложная схема управления;
• невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.

Шаговые двигатели и моторы Ардуино 28BYJ-48 с драйвером ULN2003

В этой статье мы поговорим о шаговых двигателях в проектах Ардуино на примере очень популярной модели 28BYJ-48. Так же как и сервоприводы, шаговые моторы являются крайне важным элементом автоматизированных систем и робототехники. Их можно найти во многих устройствах рядом: от CD-привода до 3D-принтера или робота-манипулятора. В этой статье вы найдете описание схемы работы шаговых двигателей, пример подключения к Arduino с помощью драйверов на базе ULN2003 и примеры скетчей с использованием стандартной библиотеки Stepper.

Шаговый двигатель – принцип работы

Шаговый двигатель – это мотор, перемещающий свой вал в зависимости от заданных в программе микроконтроллера шагов и направления. Подобные устройства чаще всего используются в робототехнике, принтерах, манипуляторах, различных станках и прочих электронных приборах. Большим преимуществом шаговых двигателей над двигателями постоянного вращения является обеспечение точного углового позиционирования ротора. Также в шаговых двигателях имеется возможность быстрого старта, остановки, реверса.

Шаговый двигатель обеспечивает вращения ротора на заданный угол при соответствующем управляющем сигнале. Благодаря этому можно контролировать положение узлов механизмов и выходить в заданную позицию. Работа двигателя осуществляется следующим образом – в центральном вале имеется ряд магнитов и несколько катушек. При подаче питания создается магнитное поле, которое воздействует на магниты и заставляет вал вращаться. Такие параметры как угол поворота (шаги), направление движения задаются в программе для микроконтроллера.

Упрощенные анимированные схемы работы шагового двигателя

Основные виды шаговых моторов:

• Двигатели с переменными магнитами (применяются довольно редко);
• Двигатели с постоянными магнитами;
• Гибридные двигатели (более сложные в изготовлении, стоят дороже, но являются самым распространенным видом шаговых двигателей).

Где купить шаговый двигатель

Самые простые двигатели Варианты на сайте AliExpress:

Драйвер для управления шаговым двигателем

Драйвер – это устройство, которое связывает контроллер и шаговый двигатель. Для управления биполярным шаговым двигателем чаще всего используется драйверы L298N и ULN2003.

Работа двигателя в биполярном режиме имеет несколько преимуществ:

• Увеличение крутящего момента на 40% по сравнению с униполярными двигателями;
• Возможность применения двигателей с любой конфигурацией фазной обмотки.

Но существенным минусов в биполярном режиме является сложность самого драйвера. Драйвер униполярного привода требует всего 4 транзисторных ключа, для обеспечения работы драйвера биполярного привода требуется более сложная схема. С каждой обмоткой отдельно нужно проводить различные действия – подключение к источнику питания, отключение. Для такой коммутации используется схема-мост с четырьмя ключами.

Драйвер шагового двигателя на базе L298N

Этот мостовой драйвер управляет двигателем с током до 2 А и питанием до 46В. Модуль на основе драйвера L298N состоит из микросхемы L298N, системы охлаждения, клеммных колодок, разъемов для подключения сигналов, стабилизатора напряжения и защитных диодов.

Драйвер двигателя L298N

Драйвер шагового двигателя ULN2003

Шаговые двигателями с модулями драйверов на базе ULN2003 – частые гости в мастерских Ардуино благодаря своей дешевизне и доступности. Как правило, за это приходится платить не очень высокой надежностью и точностью.

Другие драйвера

Существует другой вид драйверов – STEP/DIR драйверы. Это аппаратные модули, которые работают по протоколу STEP/DIR для связи с микроконтроллером. STEP/DIR драйверы расширяют возможности:

• Они позволяют стабилизировать фазные токи;
• Возможность установки микрошагового режима;
• Обеспечение защиты ключа от замыкания;
• Защита от перегрева;
• Оптоизоляция сигнала управления, высокая защищенность от помех.

В STEP/DIR драйверах используется 3 сигнала:

• STEP – импульс, который инициирует поворот на шаг/часть шага в зависимости от режима. От частоты следования импульсов будет определяться скорость вращения двигателя.
• DIR – сигнал, который задает направление вращения. Обычно при подаче высокого сигнала производится вращение по часовой стрелке. Этот тип сигнала формируется перед импульсом STEP.
• ENABLE – разрешение/запрет работы драйвера. С помощью этого сигнала можно остановить работу двигателя в режиме без тока удержания.

Одним из самых недорогих STEP/DIR драйверов является модуль TB6560-V2. Этот драйвер обеспечивает все необходимые функции и режимы.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Подключение будет рассмотрено на примере униполярного двигателя 28BYj-48 и драйверов L298 и ULN2003. В качестве платы будет использоваться Arduino Uno.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Еще один вариант схемы с использованием L298:

Подключение шагового двигателя к Ардуино на базе L298

Схема подключения на базе ULN2003 изображена на рисунке ниже. Управляющие выходы с драйвера IN1-IN4 подключаются к любым цифровым контактам на Ардуино. В данном случае используются цифровые контакты 8-11. Питание подключается к 5В. Также для двигателя желательно использовать отдельный источник питания, чтобы не перегрелась плата Ардуино.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Принципиальная схема подключения.

Принципиальная схема подключения шагового двигателя

Еще одна схема подключения биполярного шагового двигателя Nema17 через драйвер L298 выглядит следующим образом.

Обзор основных моделей шаговых двигателей для ардуино

Nema 17 – биполярный шаговый двигатель, который чаще всего используется в 3D принтерах и ЧПУ станках. Серия 170хHSхххА мотора является универсальной.

Основные характеристики двигателя:

• Угловой шаг 1,8°, то есть на 1 оборот приходится 200 шагов;
• Двигатель – двухфазный;
• Рабочие температуры от -20С до 85С;
• Номинальный ток 1,7А;
• Момент удержания 2,8 кг х см;
• Оснащен фланцем 42 мм для легкого и качественного монтажа;
• Высокий крутящий момент – 5,5 кг х см.

28BYJ-48 – униполярный шаговый двигатель. Используется в небольших проектах роботов, сервоприводных устройствах, радиоуправляемых приборах.

• Номинальное питание – 5В;
• 4-х фазный двигатель, 5 проводов;
• Число шагов: 64;
• Угол шага 5,625°;
• Скорость вращения: 15 оборотов в секунду
• Крутящий момент 450 г/сантиметр;
• Сопротивление постоянного тока 50Ω ± 7% (25 ℃).

Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем

В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper.h для написания программ шаговых двигателей. Основные функции в этой библиотеке:

• Stepper(количество шагов, номера контактов). Эта функция создает объект Stepper, которая соответствует подключенному к плате Ардуино двигателю. Аргумент – контакты на плате, к которым подключается двигатель, и количество шагов, которые совершаются для полного оборота вокруг своей оси. Информацию о количестве шагов можно посмотреть в документации к мотору. Вместо количества шагов может быть указан угол, который составляет один шаг. Для определения числа шагов, нужно разделить 360 градусов на это число.
• Set Speed(long rpms) – функция, в которой указывается скорость вращения. Аргументом является положительное целое число, в котором указано количество оборотов в минуту. Задается после функции Step().
• Step(Steps) –поворот на указанное количество шагов. Аргументом может быть либо положительное число – поворот двигателя по часовой стрелке, либо отрицательное – против часовой стрелки.

Пример скетча для управления

В наборе примеров библиотеки Stepper.h существует программа stepper_oneRevolution, в которой задаются все параметры для шагового двигателя – количество шагов, скорость, поворот.

Заключение

В этой статье мы с вами узнали, что такое шаговый двигатель, как можно его подключить к ардуино, что такое драйвер шагового двигателя. Мы также рассмотрели пример написания скетча, использующего встроенную библиотеку Stepper. Как видим, ничего особенно сложного в работе с шаговыми моторами нет и мы рекомендуем вам обязательно поэкспериментировать самостоятельно и попробовать включить его в своих проектах Arduino.