Как определить напряжение шагового двигателя

Напряжение на шаговые двигатели

xor85
Загрузка

06.07.2018

3564

печатает на WANHAO Duplicator 4 Вопросы и ответы

День добрый! На просторах рунета читал статью про шаговики и чпу станки, там среди прочего была дана упрощенная формула расчета оптимального напряжения для работы шаговика с высоким моментом на высоких скоростях: U=32*√L , где L это индуктивность фазы в мГн. Получается что для всех используемых двигателей даже 24в будет маловато, и движки и половины номинального момента не отдают (Хваленый 42BYGHM809 имеет индуктивность аж 4мГн, т.е. напряжение ему нужно 62в). Меня теперь мучают два вопроса: 1) Почему никто не использует в 3д принтерах питание близкое к требуемому, хотя по деньгам вроде не так дорого это выйдет: отдельный БП, и драйвера - хотябы dm856 - 128 микрошаг, и до 80в - 2300р за штуку. и 2) зачем на напряжении 12в и 24в использовать такие массивные шаговики, разве нету в природе шаговиков меньше и легче, с индуктивностью до 1мГн? Ведь по логике маленький шаговик получающий нужное напряжение и нужный ток дасть столько же момента, сколько и большой (номинально боле мощный) шаговик на низком напряжении?

Ответы на вопросы

Как работают шаговые двигатели

На рисунках ниже показаны два поперечных сечения 5-фазного шагового двигателя. Шаговый двигатель состоит в основном из двух частей: статора и ротора. Ротор состоит из трех компонентов: ротора 1, ротора 2 и постоянного магнита. Ротор намагничен в осевом направлении, так что, например, если ротор 1 поляризован на север, ротор 2 будет поляризован на юг.

Статор имеет десять магнитных полюсов с маленькими зубцами, каждый из которых снабжен обмоткой.Каждая обмотка соединена с обмоткой противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов с одинаковой полярностью, то есть с севера или юга.)

Пара противоположных полюсов составляет одну фазу. Поскольку существует пять фаз, от A до E, двигатель называется «5-фазный шаговый двигатель».

На внешнем периметре каждого ротора имеется 50 маленьких зубьев, причем маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены относительно друг друга на половину шага зубца.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагниченная возбуждением

Маленькие зубья: Зубья на роторе и статоре

Принцип действия

Ниже приведено объяснение взаимосвязи между малыми зубцами намагниченного статора и малыми зубцами ротора.

При возбуждении фазы «А»

Когда фаза А возбуждена, ее полюса поляризованы на юг.Это притягивает зубцы ротора 1, которые поляризованы на север, и отталкивает зубья ротора 2, которые поляризованы на юг. Поэтому силы на весь агрегат в равновесии удерживают ротор неподвижным. В это время зубцы полюсов фазы B, которые не возбуждаются, смещены относительно зубьев ротора 2 с южной поляризацией, так что они смещены на 0,72 °. Это суммирует взаимосвязь между зубцами статора и зубцами ротора с возбужденной фазой А.

При возбуждении фазы "B"

Когда возбуждение переключается с фазы A на B, полюсы фазы B поляризуются на север, притягивая южную полярность ротора 2 и отталкивая северную полярность ротора 1.

Другими словами, когда возбуждение переключается с фазы А на В, ротор вращается на 0,72 °. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем возвращается к фазе A, шаговый двигатель вращается точно с шагом 0,72 °. Чтобы повернуть в обратном направлении, поверните последовательность возбуждения в фазу A, E, D, C, B, затем вернитесь в фазу A.

Высокое разрешение 0,72˚ присуще механическому смещению между статором и ротором, что обеспечивает достижение точного позиционирования без использования датчика или других датчиков.Достигается высокая точность остановки в течение 3 минут дуги (без нагрузки), поскольку единственными факторами, влияющими на точность остановки, являются колебания точности обработки статора и ротора, точности сборки и сопротивления обмоток по постоянному току.

Драйвер выполняет роль переключения фазы, а его синхронизация контролируется импульсным сигналом, вводимым в драйвер. Приведенный выше пример показывает, что возбуждение продвигается по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток осуществляется путем возбуждения четырех или пяти фаз одновременно.

Основные характеристики шаговых двигателей

При применении шаговых двигателей важно учитывать, соответствуют ли характеристики двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые следует учитывать при применении шаговых двигателей.
Две основные характеристики производительности шагового двигателя:

Динамические характеристики: Это пусковые и вращательные характеристики шагового двигателя, которые в основном влияют на движение машины и время цикла.
Статические характеристики: Это характеристики, относящиеся к изменениям угла, которые происходят, когда шаговый двигатель находится в режиме ожидания, влияя на уровень точности машины.

Динамические характеристики

Характеристики скорости - крутящего момента На рисунке выше приведен график характеристик, показывающий соотношение между скоростью и крутящим моментом ведомого шагового двигателя.Эти характеристики всегда упоминаются при выборе шагового двигателя. Горизонтальная ось представляет скорость на выходном валу двигателя, а вертикальная ось представляет крутящий момент. Характеристики скорости и крутящего момента определяются двигателем и водителем и сильно зависят от типа используемого водителя.

Максимальный удерживающий момент (TH) Максимальный удерживающий момент - это максимальная удерживающая мощность шагового двигателя (крутящий момент) при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.

Крутящий момент на выходе Крутящий момент на выходе - это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при данной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.

Максимальная пусковая частота (фс) Это максимальная частота импульсов, при которой двигатель может мгновенно запускаться или останавливаться (без времени ускорения / замедления), когда фрикционная нагрузка шагового двигателя и инерционная нагрузка равны 0. Вождение двигателя при частота импульсов, превышающая эту частоту, потребует постепенного ускорения или замедления.Эта частота будет уменьшаться при добавлении инерционной нагрузки к двигателю. Обратитесь к характеристикам пусковой частоты инерционной нагрузки ниже.

Максимальная частота отклика (fr) Это максимальная частота импульсов, при которой двигатель может работать путем постепенного ускорения или замедления, когда фрикционная нагрузка шагового двигателя и инерционная нагрузка равны 0. На рисунке ниже показаны характеристики скорости - крутящего момента 5-фазный шаговый двигатель и пакет драйверов.

Инерционная нагрузка - характеристики начальной частоты Эти характеристики показывают изменения начальной частоты, вызванные инерцией нагрузки. Поскольку ротор и нагрузка шагового двигателя имеют собственный момент инерции, во время мгновенного пуска и останова на оси двигателя возникают задержки и опережения. Эти значения меняются в зависимости от скорости импульса, но двигатель не может следовать за частотой импульса за определенной точкой, так что это может привести к ошибкам. Скорость импульса непосредственно перед возникновением оплошности называется начальной частотой.

Изменения максимальной стартовой частоты с инерционной нагрузкой могут быть аппроксимированы по следующей формуле:

Вибрационные характеристики

Шаговый двигатель вращается через серию шаговых движений. Шаговое движение может быть описано как 1-шаговый ответ, как показано ниже:

1. Один импульсный вход для шагового двигателя в состоянии покоя ускоряет двигатель в направлении следующего останова.

2. Ускоренный двигатель вращается через положение остановки, отклоняется на определенный угол и возвращается назад.

3. Двигатель останавливается в установленном положении остановки после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое вызывает колебания этого типа. График вибрационных характеристик ниже представляет величину вибрации двигателя во вращении. Чем ниже уровень вибрации, тем более плавным будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Характеристики угла - крутящего момента: Характеристики угла - крутящего момента показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным к валу двигателя, когда двигатель возбуждается при номинальном токе. Кривая для этих характеристик показана ниже:

На следующих рисунках показано позиционное соотношение между зубьями ротора и зубцами статора в пронумерованных точках на схеме выше.Если удерживать устойчиво в точке (1), внешнее приложение силы к валу двигателя будет создавать крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в устойчивую точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила будет равна этому моменту в точке (2).

Если приложено дополнительное внешнее усилие, существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигнет своего максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающей это значение, приведет ротор к неустойчивой точке (5) и выше, создавая крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он перемещается к следующей устойчивой точке (1). ) и останавливается.

Стабильные точки: Точки, где ротор останавливается, с зубцами статора и зубьями ротора точно выровнены. Эти точки чрезвычайно устойчивы, и ротор всегда останавливается, если не приложено внешнее усилие.

Нестабильные точки: Точки, в которых зубцы статора и зубья ротора на половину шага не выровнены. Ротор в этих точках переместится в следующую устойчивую точку влево или вправо, даже под малейшим внешним воздействием.

Точность угла

При отсутствии нагрузки шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °). Небольшая ошибка возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора и небольшой разницы в сопротивлении постоянного тока обмотки статора. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается через точность положения остановки.

Точность положения остановки: Точность положения остановки - это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.В качестве начальной точки принимается заданная точка остановки ротора, тогда точность позиции остановки представляет собой разницу между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в наборе измерений, выполненных для каждого шага полного вращения.

Точность положения остановки находится в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °), но только при отсутствии нагрузки. В реальных применениях всегда присутствует одинаковая величина фрикционной нагрузки. Точность угла в таких случаях определяется угловым смещением, вызванным характеристиками углового момента, основанными на фрикционной нагрузке.Если фрикционная нагрузка постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Тем не менее, при двунаправленной работе двойной угол смещения создается в обоих направлениях. Когда требуется высокая точность остановки, всегда устанавливайте в одном направлении.

Последовательность возбуждения шаговых двигателей и пакетов драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и пакет драйверов, перечисленные в нашем каталоге, состоят из нового Пентагона, двигателя с пятью проводами и драйвера с особой последовательностью возбуждения.Эта комбинация, которая является собственностью Oriental Motor, предлагает следующие преимущества:

Простые соединения для пяти отведений
Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность подключения и возбуждения.

Новый Пентагон, 4-фазное возбуждение: система полного шага (0,72˚ / шаг)

Это система, уникальная для 5-фазного двигателя, в котором четыре фазы возбуждаются. Угол шага составляет 0,72˚ (0,36˚).Он предлагает отличный демпфирующий эффект и, следовательно, стабильную работу.

Новый Пентагон, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36˚ / шаг)

Последовательность шагов чередования 4-фазного и 5-фазного возбуждения приводит к вращению со скоростью 0,36 ° на шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы с шаговым двигателем

Существует две распространенные системы управления шаговым двигателем: привод постоянного тока и привод постоянного напряжения.Схема для привода с постоянным напряжением проще, но сравнительно сложнее добиться крутящего момента на высоких скоростях.
Привод с постоянным током, с другой стороны, в настоящее время является наиболее часто используемым способом привода, поскольку он обеспечивает превосходные характеристики крутящего момента на высоких скоростях. Все драйверы Oriental Motor используют систему привода постоянного тока.

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается путем последовательного переключения тока, протекающего через обмотки.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также становится быстрее, а рост тока отстает, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, которое намного выше, чем номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигает двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий по обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор для определения тока, сравнивается с опорным напряжением. Текущий контроль осуществляется путем проведения переключения транзистора TR2, когда напряжение через резистор обнаружения ниже, чем опорное напряжение (когда она еще не достигла номинального тока), или поворота TR2 OFF, когда значение выше, чем опорное напряжение ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный ток номинального тока.

Различия между характеристиками входа переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие постоянным напряжением, подаваемым через драйвер. Во входных двигателях и драйверах Oriental Motor 24 В постоянного тока на двигатель подается 24 В постоянного тока. В пакетах двигателя и драйвера на 100-115 В переменного тока вход выпрямляется до постоянного тока, а затем на двигатель подается приблизительно 140 В постоянного тока. (Некоторые продукты являются исключениями.)

Эта разница в напряжениях, приложенных к двигателям, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях.Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет возрастать ток через обмотки двигателя, что облегчает подачу номинального тока на более высоких скоростях.

Таким образом, входной двигатель и блок питания переменного тока имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, предлагая большое соотношение скоростей. Рекомендуется, чтобы входные двигатели переменного тока и пакеты драйверов, которые совместимы с более широким диапазоном рабочих условий, были рассмотрены для ваших применений.

Технология Microstep Drive

Технология привода

Microstep используется для разделения базового шага (0,72 °) 5-фазного шагового двигателя на более мелкие ступени (до 250 делений) без использования механизма снижения скорости.

Technology Технология Microstep Drive

Шаговый двигатель движется и останавливается с шагом угла наклона, определяемым структурой полюсов ротора и статора, легко
, достигая высокой степени точности позиционирования.Шаговый двигатель, с другой стороны, вызывает изменение скорости ротора, потому что
двигатель вращается с шагом приращения угла, что приводит к резонансу или большей вибрации при данной скорости.

Microstepping - это технология, которая обеспечивает работу с низким резонансом и низким уровнем шума на чрезвычайно низких скоростях, управляя потоком электрического тока
, подаваемого на катушку двигателя, и тем самым разделяя угол основного шага двигателя на более мелкие шаги.

Базовый угол шага двигателя (0.72˚ / полный шаг) можно разделить на меньшие шаги в диапазоне от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает бесперебойную работу.
Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя вибрация двигателя может быть сведена к минимуму для работы с низким уровнем шума.

◇ До 250 микрошагов

Благодаря микрошаговому драйверу можно задать разные углы шага (16 шагов до 250 делений) для двух переключателей настройки угла шага. Управляя входным сигналом для переключения угла шага через внешний источник, можно переключать угол шага между уровнями, установленными для соответствующих переключателей.

Особенности Microstep Drive

● Низкая вибрация
Технология привода Microstep в электронном виде делит угол шага на более мелкие ступени, обеспечивая плавное поступательное движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. Хотя для уменьшения вибрации обычно используется демпфер или аналогичное устройство, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя - вместе с технологией микропереходного привода - минимизирует вибрацию более эффективно.Меры против вибрации могут быть значительно упрощены, поэтому они идеально подходят для большинства чувствительных к вибрации приложений и оборудования.

● Низкий уровень шума
Технология микрошагового привода эффективно снижает уровень шума, связанного с вибрацией, на низких скоростях, достигая низкого уровня шума. Мотор демонстрирует выдающуюся производительность даже в самых чувствительных к шуму условиях.

● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Пентагона, с его превосходными характеристиками демпфирования, минимизирует выбросы и недолеты в ответ на изменения шага, точно следуя схеме импульсов и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, шок, обычно возникающий в результате движений запуска и остановки, может быть уменьшен.

Шаговый двигатель и пакет драйверов

Обзор системы управления

Sensor Датчик для определения положения ротора

Датчик положения ротора встроен во встречный конец выходного вала двигателя:

Обмотка датчика обнаруживает изменения магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

с инновационным замкнутым контуром управления

Счетчик отклонений рассчитывает отклонение (отставание / опережение) фактического углового положения ротора с учетом команды положения по импульсному сигналу. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибки» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контуров.

Если отклонение позиционирования меньше} 1.8˚, двигатель работает в режиме разомкнутого контура.
Если отклонение позиционирования составляет 1,8 или более, двигатель работает в режиме замкнутого контура.

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется таким образом, чтобы развился максимальный крутящий момент для данного углового положения ротора. Этот метод контроля устраняет нестабильные точки (область ошибки) в характеристиках угла - крутящего момента.

Особенности AlphaStep

◇ Улучшенная производительность шагового двигателя

На высоких скоростях не будет «оплошности».Поэтому, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
Ограничения на скорости ускорения / замедления и коэффициент инерции, вытекающие из профиля импульса контроллера.
Ограничения на начальную частоту пульса, вызванные «ошибкой».
Используйте фильтр скорости, чтобы отрегулировать отзывчивость при запуске / остановке. Чувствительность запуска / остановки может быть отрегулирована с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, скорости ускорения / замедления).Эта функция предназначена для снижения ударных нагрузок и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к механической работе на дому с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) Выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). Пакеты 5-фазного шагового двигателя и привода Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и передают последовательность возбуждения
каждый раз, когда подается импульсный сигнал, выполняя один цикл, когда вал двигателя вращается 7.2˚.

Используйте эти синхронизирующие сигналы, когда необходимо выполнить высоко воспроизводимый возврат к механическому домашнему режиму. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя к механическому режиму работы дома и использование сигналов синхронизации.

● Возврат к механическому режиму работы с шаговыми двигателями

При включении питания для запуска автоматического оборудования или перезапуске оборудования после сбоя питания необходимо вернуть шаговые двигатели в их стандартное положение.Эта операция называется «возврат к механическому дому».

При возвращении к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей используются домашние датчики для обнаружения механического компонента, используемого для позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер останавливает импульсный сигнал, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возвращении к механическому домашнему режиму зависит от эффективности обнаружения домашних датчиков. Поскольку эффективность обнаружения домашних датчиков варьируется в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения области обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для применений, которые требуют очень воспроизводимого механического определения исходного положения.

● Улучшенная воспроизводимость благодаря сигналу синхронизации возбуждения

Способ обеспечения того, чтобы исходное механическое положение не изменялось из-за различий в характеристиках обнаружения домашних датчиков, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на сигнал синхронизации. Поскольку синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается, когда выводится синхронизирующий сигнал, механическое исходное положение всегда будет определяться при первоначальном возбуждении.

Соотношение между длиной кабеля и частотой передачи

По мере удлинения кабеля импульсной линии максимальная частота передачи уменьшается. В частности, резистивный компонент и паразитная емкость кабеля вызывают формирование цепи CR, тем самым задерживая время нарастания и спада импульса. Паразитная емкость в кабеле возникает между электрическими проводами и заземлением. Однако трудно предоставить четкие числовые данные, поскольку условия варьируются в зависимости от типа кабеля, расположения, прокладки и других факторов.

Частота передачи при работе в сочетании с нашими продуктами (эталонные значения фактических измерений) показаны ниже:

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики, которые указывают рабочие характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, постоянную крутильной пружины, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, которое требует высоких характеристик позиционирования или низкой вибрации, первичные критерии выбора были бы «жесткими, без люфта».«Однако в некоторых случаях жесткость сцепления оказывает лишь незначительное влияние на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтового привода, в двух применениях, где используются челюстные муфты, такие как MCS, и сильфонные муфты, обеспечивающие более высокую жесткость. (Данные взяты из технического документа KTR, поэтому размеры муфт отличаются от продуктов, предлагаемых Oriental Motor.)

Обзор испытательного оборудования

Технические характеристики деталей

Константа пружины кручения кулачковой муфты
Cj = 21000 [Н ・ м / рад]

Константа пружины кручения сильфонного соединения
Cb = 116000 [Нм / рад]

Жесткость серводвигателя
См =

[Нм / рад]

Шариковый ходовой винт
ч = 10 [мм]

Шариковый винт, диаметр корневого круга
d = 28.5 [мм]

Длина шарикового винта
L = 800 [мм]

Жесткость подшипника в осевом направлении
Rbrg = 750 [Н / мкм]

Жесткость в осевом направлении шарико-винтовой гайки
Rn = 1060 [Н / мкм]

Модуль упругости шарико-винтовой передачи
Rf = 165000 [Н / мм2]

1. Получить крутильную жесткость шарикового винта, подшипника и гайки. Жесткость в осевом направлении шарикового винта Rs рассчитывается следующим образом:

Следовательно, общая жесткость в осевом направлении шарикового винта, подшипника и гайки Rt рассчитывается следующим образом:

Эта жесткость в осевом направлении применяется как жесткость при кручении Ct.

2. Получите общую жесткость оборудования C при использовании челюстной муфты.

3. Получите общую жесткость оборудования C при использовании сильфонной муфты.

4. Результаты расчета

,

Что такое шаговый двигатель и как он работает

От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до сложнейшего станка с ЧПУ или роботизированного манипулятора шаговые двигатели можно найти практически везде. Его способность совершать точные движения с электронным управлением позволила этим двигателям найти применение во многих сферах, таких как камеры наблюдения, жесткий диск, станки с ЧПУ, 3D-принтеры, робототехника, сборочные роботы, лазерные резаки и многое другое. В этой статье мы узнаем, что делает эти моторы особенными, и теорию, стоящую за ними.Мы узнаем, как использовать один для вашего приложения.

Введение в шаговые двигатели

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

Если вы посмотрите на катушки на статоре, они расположены в виде пар катушек, как A и A 'образуют пару B, а B' образуют пару и так далее. Таким образом, каждая из этой пары катушек образует электромагнит, и они могут быть запитаны индивидуально с помощью схемы драйвера. Когда на катушку подается напряжение, она действует как магнит, и полюс ротора выравнивается по отношению к ней, а когда ротор вращается, чтобы приспособиться к статору, он называется одним шагом .Точно так же путем последовательного включения катушек мы можем вращать двигатель небольшими шагами, чтобы совершить полный оборот.

Типы шаговых двигателей

Существуют в основном три типа шаговых двигателей в зависимости от конструкции:

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением: Они имеют ротор с железным сердечником, который притягивается к полюсам статора и обеспечивает движение при минимальном сопротивлении между статором и ротором.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами: Они имеют ротор с постоянными магнитами и отталкиваются или притягиваются к статору в соответствии с приложенными импульсами.
Гибридный синхронный шаговый двигатель: Они представляют собой комбинацию переменного реактивного сопротивления и шагового двигателя с постоянными магнитами.

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

Биполярный шаговый двигатель: Катушки статора на этом типе двигателя не имеют общего провода. Управление этим типом шагового двигателя отличается и является сложным, и также невозможно легко разработать схему управления без микроконтроллера.
Униполярный шаговый двигатель: В этом типе шагового двигателя мы можем взять центральное ответвление обеих фазных обмоток для общего заземления или для общей мощности, как показано ниже. Это облегчает управление двигателями, в униполярном шаговом двигателе также много типов

Режимы работы в шаговом двигателе

Поскольку статор ступенчатой моды состоит из разных пар катушек, каждая пара катушек может возбуждаться разными способами, что позволяет модам работать во многих разных режимах.Ниже приведены широкие классификации

Full Step Mode

В режиме полного шага возбуждения мы можем добиться полного вращения на 360 ° с минимальным количеством оборотов (шагов). Но это приводит к меньшей инерции, а также вращение не будет плавным. Есть еще две классификации в режиме полного пошагового возбуждения: , однофазное пошаговое включение и два фазовых режима, .

1. Один пошаговый пошаговый или волновой пошаговый: В этом режиме только одна клемма (фаза) двигателя будет включена в любой момент времени.Это имеет меньшее количество шагов и, следовательно, может обеспечить полный поворот на 360 °. Поскольку число шагов меньше, ток, потребляемый этим методом, также очень низок. В следующей таблице приведена последовательность шаговых волн для 4-фазного шагового двигателя

Step	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	0	0	1	0
4	0	0	0	1

2.Двухэтапное пошаговое включение: Как следует из названия в этом методе, две фазы будут одной. Он имеет то же количество шагов, что и волновой шаг, но поскольку две катушки находятся под напряжением одновременно, он может обеспечить лучший крутящий момент и скорость по сравнению с предыдущим методом. Хотя одним из недостатков является то, что этот метод также потребляет больше энергии.

Step	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1
4	1	0	0	1

полушаговый режим

Режим полушагового режима представляет собой комбинацию однофазного и двухфазного режимов.Эта комбинация поможет нам преодолеть вышеупомянутый недостаток обоих режимов.

Как вы уже догадались, так как мы объединяем оба метода, нам нужно выполнить 8-шаговых в этом методе, чтобы получить полный оборот. Последовательность переключения для 4-фазного шагового двигателя показана ниже

Шаг	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	0	0	0
2	1	1	0	0
3	0	1	0	0
4	0	1	1	0
5	0	0	1	1
6	0	0	0	1
7	1	0	0	1
8	1	0	0	0

Micro Step Mode

Микрошаговый режим является комплексным из всех, но он предлагает очень хорошую точность наряду с хорошим крутящим моментом и плавной работой.В этом методе катушка будет возбуждена двумя синусоидальными волнами, которые находятся на расстоянии 90 °. Таким образом, мы можем контролировать как направление, так и амплитуду тока, протекающего через катушку, что помогает нам увеличить количество шагов, которые двигатель должен сделать за один полный оборот. Микропереступление может занять до 256 шагов, чтобы сделать один полный оборот, что делает двигатель вращаться быстрее и плавнее.

Как использовать шаговый двигатель

Достаточно скучной теории, давайте предположим, что кто-то дает вам шаговый двигатель, например, знаменитый 28-BYJ48, и вам действительно интересно, как он работает.К этому времени вы бы поняли, что невозможно заставить эти двигатели вращаться, просто запитав их от источника питания, так как бы вы это сделали?

Давайте посмотрим на этот 28-BYJ48 шаговый двигатель .

Итак, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, у него пять проводов всех причудливых цветов, и почему это так? Чтобы понять это, мы должны сначала узнать, как работает степпер, о котором мы уже говорили. Прежде всего, шаговые двигатели не вращают , они ступенчатые, поэтому их также называют шаговыми двигателями .Это означает, что они будут двигаться только один шаг за раз. Эти двигатели имеют последовательность катушек, присутствующих в них, и эти катушки должны быть включены определенным образом, чтобы двигатель вращался. Когда каждая катушка находится под напряжением, двигатель делает шаг, и последовательность активирования заставит двигатель делать непрерывные шаги, заставляя его вращаться. Давайте посмотрим на катушки внутри двигателя, чтобы точно знать, откуда эти провода.

Как вы можете видеть, двигатель имеет однополюсных 5-выводных катушек .Есть четыре катушки, которые должны быть включены в определенной последовательности. На красные провода подается напряжение +5 В, а остальные четыре провода будут заземлены для запуска соответствующей катушки. Мы используем любой микроконтроллер для подачи питания на эти катушки в определенной последовательности и заставить двигатель выполнять необходимое количество шагов. Опять же, есть много последовательностей, которые вы можете использовать, обычно используется , 4-ступенчатый , а для более точного управления также можно использовать 8-ступенчатый, , . Таблица последовательности для 4-ступенчатого управления показана ниже.

Шаг	Катушка под напряжением
Шаг 1	А и В
Шаг 2	B и C
Шаг 3	C и D
Шаг 4	D и A

Итак, почему этот двигатель называется 28-BYJ48 ? Шутки в сторону!!! Я не знаю.Для этого мотора нет никаких технических оснований называться так; может быть, мы не должны углубляться в это. Давайте посмотрим на некоторые важные технические данные, полученные из таблицы данных этого двигателя на рисунке ниже.

Это голова, полная информации, но нам нужно взглянуть на несколько важных, чтобы знать, какой тип степпера мы используем, чтобы мы могли эффективно его программировать. Сначала мы знаем, что это шаговый двигатель 5В, так как мы подаем на красный провод напряжение 5В.Кроме того, мы также знаем, что это четырехфазный шаговый двигатель, поскольку в нем было четыре катушки. Теперь передаточное число составляет 1:64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, совершит один полный оборот, только если двигатель внутри будет вращаться 64 раза. Это происходит из-за зубчатых колес, которые соединены между двигателем и выходным валом, эти зубчатые колеса помогают увеличить крутящий момент.

Другие важные данные, на которые следует обратить внимание, это угол шага : 5,625 ° / 64. Это означает, что двигатель при работе в 8-ступенчатой последовательности будет двигаться 5.625 градусов для каждого шага, и для выполнения одного полного поворота потребуется 64 шага (5,625 * 64 = 360).

Расчет шагов за оборот для шагового двигателя

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

Предположим, что мы будем работать с двигателем в 4-х ступенчатой последовательности, поэтому угол шага будет 11,25 °, поскольку он составляет 5,625 ° (приведено в таблице) для 8-ступенчатой последовательности, это будет 11.25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

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

Зачем нам нужны модули драйверов для шаговых двигателей?

Большинство шаговых двигателей будут работать только с помощью модуля привода. Это связано с тем, что модуль контроллера (микроконтроллер / цифровая схема) не сможет обеспечить достаточный ток от своих выводов ввода / вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний модуль, такой как ULN2003, модуль , в качестве драйвера шагового двигателя .Существует много типов модулей драйвера, и номинальная мощность одного из них будет изменяться в зависимости от типа используемого двигателя. Основным принципом для всех модулей привода будет источник / приемник достаточного тока для работы двигателя. Кроме того, существуют также модули драйверов, в которых заранее запрограммирована логика, но мы не будем обсуждать это здесь.

Если вам интересно узнать, как вращать шаговый двигатель с помощью микроконтроллера и ИС драйвера, то мы рассмотрели много статей о его работе с различными микроконтроллерами:

Теперь я считаю, что у вас достаточно информации для управления любым шаговым двигателем, который вам необходим для вашего проекта.Давайте посмотрим на преимущества и недостатки шаговых двигателей.

Преимущества шаговых двигателей

Одним из основных преимуществ шагового двигателя является то, что он имеет превосходный контроль положения и, следовательно, может использоваться для точного управления. Кроме того, он обладает очень хорошим удерживающим моментом, что делает его идеальным выбором для робототехники. Считается, что шаговые двигатели имеют более длительный срок службы, чем обычный двигатель постоянного тока или серводвигатель.

Недостатки шаговых двигателей

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют свои недостатки, так как они вращаются, делая маленькие шаги, и не могут достичь высоких скоростей.Кроме того, он потребляет энергию для удержания крутящего момента, даже когда он идеален, что увеличивает потребление энергии.

Как работает шаговый двигатель

В этой статье вы узнаете, как работает шаговый двигатель. Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, их режимы движения и типы шаговых двигателей по конструкции. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать написанную статью.

Принцип работы

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный двигатель постоянного тока, который вращается ступенчато. Это очень полезно, потому что его можно точно позиционировать без какого-либо датчика обратной связи, который представляет собой контроллер с разомкнутым контуром.Шаговый двигатель состоит из ротора, который обычно является постоянным магнитом, и он окружен обмотками статора. По мере того, как мы постепенно активируем обмотки в определенном порядке и пропускаем через них ток, они намагничивают статор и создают электромагнитные полюса, соответственно, которые приводят двигатель в движение. Так что это основной принцип работы шаговых двигателей.

Режимы движения

Существует несколько различных способов управления шаговым двигателем.Первый - это волновой привод или возбуждение с одной катушкой. В этом режиме мы активируем только одну катушку за раз, что означает, что для этого примера двигателя с 4 катушками ротор совершит полный цикл за 4 шага.

Далее идет режим полного шагового привода, который обеспечивает намного более высокий выходной крутящий момент, потому что у нас всегда есть 2 активных катушки в данный момент времени. Однако это не улучшает разрешение шагового двигателя, и ротор снова совершает полный цикл за 4 шага.

Для увеличения разрешения шагового двигателя мы используем режим полушагового привода.Этот режим фактически является комбинацией двух предыдущих режимов.

Здесь у нас есть одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки, а затем снова одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки и так далее. Таким образом, в этом режиме мы получаем удвоенное разрешение при той же конструкции. Теперь ротор совершит полный цикл за 8 шагов.

Однако в настоящее время наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями является микрошаг. В этом режиме мы подаем переменный управляемый ток на катушки в виде синусоидальной волны.Это обеспечит плавное движение ротора, уменьшит напряжение деталей и повысит точность шагового двигателя.

Другим способом увеличения разрешения шагового двигателя является увеличение числа полюсов ротора и числа полюсов статора.

Типы шаговых двигателей по конструкции

По конструкции существуют 3 различных типа шаговых двигателей: шаговый двигатель с постоянным магнитом, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и гибридный синхронный шаговый двигатель.

Степпер с постоянным магнитом имеет ротор с постоянным магнитом, который приводится в действие обмотками статора. Они создают противоположные полюса полярности по сравнению с полюсами ротора, который движет ротор.

В следующем типе шагового двигателя с переменным сопротивлением используется немагнитный ротор из мягкого железа. Ротор имеет зубья, которые смещены относительно статора, и когда мы активируем обмотки в определенном порядке, ротор перемещается соответственно, так что он имеет минимальный зазор между статором и зубьями ротора.

Гибридный синхронный двигатель модели это комбинации двух предыдущих степперов.Имеет зубчатый ротор с постоянными магнитами, а также зубчатый статор. Ротор имеет две секции, противоположные по полярности, и их зубья смещены, как показано здесь.

Это вид спереди широко используемого гибридного шагового двигателя, который имеет 8 полюсов на статоре, которые активируются 2 обмотками A и B. Поэтому, если мы активируем обмотку A, мы намагничиваем 4 полюса, из которых два из них будут иметь южную полярность, а два - северную.

Мы видим, что таким образом зубья роторов выровнены с зубьями полюсов A и выровнены с зубьями полюсов B.Это означает, что на следующем шаге, когда мы выключим полюса A и активируем полюса B, ротор будет двигаться против часовой стрелки, а его зубцы будут совмещены с зубцами полюсов B.

Если мы будем продолжать активировать полюса в определенном порядке, ротор будет двигаться непрерывно. Здесь мы также можем использовать различные режимы движения, такие как волновой привод, полный шаг, полушаг и микро шаг, чтобы еще больше увеличить разрешение шагового двигателя.
Смотрите также

Что такое головка двигателя

Как на ниву установить дизельный двигатель

Как подобрать регулятор оборотов для бесколлекторного двигателя

Что будет если в двигатель самолета попадет птица

Чем мыть двигатель от масла

Рабочий объем двигателя 1596 что это значит

Какой двигатель поставить на газ 24 от иномарки

Что лучше объем двигателя или лошадиные силы

Торможение двигателем на автомате это как

Гидрокомпенсаторы что это такое в двигателе

Из чего складывается объем двигателя