Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как сделать шаговый двигатель своими руками


устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие  с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется  из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора.  Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от  5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом
Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси.  Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

 

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть  деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему  легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта  можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс  или серию импульсов в определенной последовательности.  В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата.  При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый  — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль)  происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному  USB порту.

Полезное видео



Как работают шаговые двигатели | Самодельные кольцевые проекты

В этом посте мы собираемся узнать о шаговом двигателе. Мы будем исследовать, что такое шаговый двигатель, его основной рабочий механизм, типы шагового двигателя, режимы шага и, наконец, его преимущества и недостатки.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - бесщеточный двигатель; его вращающийся вал (ротор) совершает один оборот с определенным количеством шагов. Из-за ступенчатого характера вращения он получил название шагового двигателя.

Шаговый двигатель обеспечивает точный контроль угла поворота и скорости. Это конструкция с разомкнутым контуром, что означает, что механизм отслеживания вращения не реализован.

Может изменять скорость, изменять направление вращения и мгновенно фиксироваться в одном положении. Количество ступеней определяется количеством зубьев в роторе. Например: если шаговый двигатель состоит из 200 зубцов, то

360 (градус) / 200 (без зубцов) = 1,8 градуса

Таким образом, каждый шаг будет равен 1.8 степень. Шаговые двигатели управляются микроконтроллерами и схемой управления. Он широко используется в лазерных принтерах, 3D-принтерах, оптических приводах, робототехнике и т. Д.

Основной рабочий механизм:

Шаговый двигатель может состоять из нескольких рядов полюсов, намотанных изолированным медным проводом, называемым статором или неподвижной частью двигатель. Движущаяся часть двигателя называется ротором, состоящим из нескольких рядов зубьев.

Когда один полюс находится под напряжением, ближайшие зубцы выровняются с этим полюсом под напряжением, а другой зуб на роторе будет слегка смещен или не выровнен с другими полюсами, не находящимися под напряжением.

Следующий полюс будет запитан, а предыдущий полюс обесточен, теперь невыровненные полюса будут выровнены с текущим полюсом, находящимся под напряжением, это сделает один единственный шаг.

Следующий полюс получает питание и предыдущий полюс обесточивается, это делает еще один шаг, и этот цикл продолжается несколько раз, чтобы совершить один полный оборот.

Вот еще один очень простой пример того, как работает шаговый двигатель:

Обычно зубья ротора представляют собой магниты, расположенные попеременно на северном и южном полюсах.Подобно тому, как полюсы отталкиваются и в отличие от полюса притягиваются, теперь обмотка полюса «А» находится под напряжением и принимает под напряжением полюс как Северный полюс, а ротор как Южный полюс, это притягивает южный полюс ротора к полюсу «А» статора, как показано на рисунке.

Теперь полюс A обесточен, а полюс «B» включен, теперь южный полюс ротора будет выровнен с полюсом «B». Аналогичный полюс "C" и полюс "D" будут активироваться и обесточиваться таким же образом, чтобы завершить один оборот.

К настоящему времени вы бы поняли, как работает механизм шагового двигателя.

Типы шагового двигателя:

Существует три типа шагового двигателя:

• Шагер с постоянным магнитом
• Шаговый реактивный шагер
• Гибридный синхронный шагер

Шаговый двигатель с постоянным магнитом:

Шаговые двигатели с постоянным магнитом используют постоянный магнит Зубья ротора, расположенные в чередующемся порядке (Север-Юг-Север-Юг ...), обеспечивают больший крутящий момент.

Переменный реактивный шагер:

Переменный реактивный шагер использует мягкий железный материал в качестве ротора с несколькими зубьями и работает по принципу, согласно которому минимальный реактивный реагент возникает при минимальном зазоре, что означает, что ближайшие зубцы ротора притягиваются к полюсу, когда он находится под напряжением, как металл притягивается к магниту.

Гибридный синхронный шаговый двигатель:

В гибридном шаговом двигателе оба вышеупомянутых метода объединены для получения максимального крутящего момента. Это наиболее распространенный тип шагового двигателя, а также дорогой метод.
Режимы шага:

Существует 3 типа режимов шага

• Режим полного шага
• Режим полушагования
• Режим микроэтапа

Режим полного шага:

В режиме полного шага можно понять следующий пример: если шаговый двигатель имеет 200 зубцов, то один полный шаг равен 1.На 8 градусов (что дается в начале статьи) он не будет вращаться меньше или больше, чем на 1,8 градуса.

Полный шаг далее классифицируется на два типа:

• Однофазный режим
• Двухфазный режим

В обоих фазовых режимах ротор делает один полный шаг, основное различие между ними состоит в том, что одиночный режим дает меньший крутящий момент и двухфазный режим дают больший крутящий момент.

• Однофазный режим:

В однофазном режиме только одна фаза (группа обмоток / полюсов) запитывается в данный момент времени, это наименее энергозатратный метод, но он также дает меньший крутящий момент.

• Двухфазный режим:

В двухфазном режиме двухфазное питание (две группы обмоток / полюсов) подается в данный момент времени; он производит больший крутящий момент (от 30% до 40%) в однофазном режиме.

Режим половины шага:

Режим половины шага сделан для двойного разрешения двигателя. В полушаге, как следует из названия, требуется половина одного полного шага, вместо полных 1,8 градуса, полшага занимает 0,9 градуса.
Половина достигается путем изменения однофазного режима и двухфазного режима поочередно.Это уменьшает нагрузку на механические части и повышает плавность вращения. Полшага уменьшает крутящий момент примерно на 15%. Но крутящий момент можно увеличить, увеличив ток, подаваемый на двигатель.

Микропереступление:

Микропереступление выполняется для максимально плавного вращения. Один полный шаг делится до 256 шагов. Для микро-степпинга необходим специальный микрошаговый контроллер. Его крутящий момент выводится примерно на 30%.

Драйверы должны ввести синусоидальную волну для вращения жидкости.Драйверы дают два синусоидальных входа с фазовым выходом 90 градусов.

Обеспечивает лучший контроль вращения, значительно снижает механические нагрузки и снижает уровень шума при работе.

Основные преимущества и недостатки шагового двигателя можно узнать по следующим пунктам:

Преимущества:

• Лучший контроль углового вращения.
• Высокий крутящий момент на низкой скорости.
• Мгновенное изменение направления вращения.
• Минимальная механическая конструкция.

Недостатки:

• Мощность потребляется даже при отсутствии вращения; это сделано для фиксации ротора в фиксированном положении.
• Нет механизма обратной связи для исправления ошибок вращения и отслеживания текущей позиции.
• Требуется сложная схема драйвера.
• Крутящий момент уменьшается на более высокой скорости.
• Нелегко управлять двигателем на более высокой скорости.

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать через комментарии, я буду очень рад помочь!

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 - это бесщеточный двигатель постоянного тока, который вращается ступенчато. Это очень полезно, поскольку 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. Когда 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.

Motors и правильный выбор

Введение

В любой момент вы находитесь рядом, по крайней мере, с одним или двумя типами двигателей. От вибромотора в вашем мобильном телефоне до вентиляторов и привода компакт-дисков в вашей любимой игровой системе - все вокруг нас. Моторы позволяют нашим устройствам взаимодействовать с нами и окружающей средой. С множеством приложений для двигателей, конструкция и работа их могут варьироваться.

Что вы выучите

В этом уроке мы рассмотрим некоторые из этих основных типов двигателей и их использование:

  • DC Brush Motors
  • Бесщеточный Моторс
  • Stepper Motors
  • Линейные Моторы

Рекомендуемое чтение

Что заставляет мотор двигаться?

Самый расплывчатый и простой ответ - магнетизм! Хорошо, теперь давайте возьмем эту простую силу и превратим ее в суперкар!

Для простоты нам необходимо взглянуть на некоторые концепции через призму мысленного эксперимента.Некоторые свободы будут взяты, но если вы хотите разобраться в деталях, вы можете проконсультироваться с доктором Гриффитсом. Для нашего мысленного эксперимента мы собираемся заявить, что магнитное поле создается движущимся электроном , то есть током . Хотя это создает для нас классическую модель, вещи выходят из строя, когда мы достигаем атомарного уровня. Чтобы понять атомный уровень магнетизма больше, Гриффитс объясняет это в другой книге ...

Электромагнетизм

Чтобы создать магнит или магнитное поле, нам нужно посмотреть, как они генерируются.Отношения между током и магнитным полем ведут себя по правилу правой руки. Когда ток проходит через провод, вокруг провода формируется магнитное поле в направлении ваших пальцев, когда они оборачиваются вокруг него. Это упрощение закона силы Ампера, поскольку он действует на проводе с током. Теперь, если вы поместите этот же провод в уже существующее магнитное поле, вы можете создать силу. Эта сила называется силой Лоренца.

Правило правой руки показывает направление магнитного поля относительно пути тока.

Если ток увеличивается, сила магнитного поля усиливается. Хотя, чтобы сделать что-то полезное с полем, потребовалось бы невероятное количество тока. Кроме того, провод, доставляющий ток, будет иметь ту же магнитную силу, создавая, таким образом, неконтролируемые поля. Изгибая проволоку в петлю, можно создать направленное и концентрированное поле.

Поле не изменилось. Сгибая провод в петлю, направления поля просто выровнены.

Электромагниты

Путем зацикливания провода и пропускания тока создается электромагнит. Если одна петля провода может сконцентрировать поле, что вы можете сделать с большим количеством? Как насчет нескольких сто больше! Чем больше петель вы добавляете в схему, тем сильнее становится поле для данного тока. Если это так, то почему мы не видим тысяч **, если не ** миллионов обмоток в двигателях и электромагнитах? Что ж, чем длиннее провод, тем выше сопротивление.Закон Ома (V = I * R) гласит, что для поддержания того же тока, что и сопротивление, напряжение должно увеличиваться. В некоторых случаях имеет смысл использовать более высокие напряжения; в других случаях некоторые используют больший провод с меньшим сопротивлением. Использование провода большего размера более затратно и, как правило, с ним труднее работать. Это факторы, которые необходимо учитывать при проектировании двигателя.

Электромагнит под напряжением, создающий магнитное поле.

Время эксперимента

Чтобы создать свой собственный электромагнит, просто найдите болт (или другой круглый стальной объект), какой-нибудь магнитный провод (калибр 30-22 работает нормально) и аккумулятор.

Примечание: для этого эксперимента рекомендуется использовать литиевые батареи , а не .

Оберните между сталью 75-100 витков проволоки. Использование стального центра дополнительно концентрирует магнитное поле, увеличивая его эффективную силу. Мы рассмотрим, почему это происходит в следующем разделе.

Небольшая термоусадка или лента могут помочь удерживать катушки в центре стали.

Теперь, используя наждачную бумагу, удалите изоляцию с концов проводов и подключите каждый провод к каждой клемме батареи.Поздравляем! Вы построили первый компонент двигателя! Чтобы проверить прочность вашего электромагнита, попробуйте подобрать скрепки или другие мелкие стальные предметы.

Это не волшебство, это НАУКА !!!

Ферромагнетизм

Оглядываясь назад на начало нашего мыслительного эксперимента, магнитные поля могут создаваться только током. Принимая определение тока как потока электронов, электроны, вращающиеся вокруг атома, должны создавать ток и, следовательно, магнитное поле! Если у каждого атома есть электроны, все ли магнитно? ДА! Вся материя, включая лягушек, может проявлять магнитные свойства при достаточном количестве энергии.Но не весь магнетизм создан одинаково. Причина, по которой я могу подобрать винты с магнитом для повторного охлаждения, а не с лягушкой, заключается в разнице между ферромагнетизмом и парамагнетизмом. Способ дифференцировать эти два (и еще несколько типов) через изучение квантовой механики.

Ферромагнетизм будет в центре нашего внимания, так как это самое сильное явление, с которым у нас больше всего опыта. Кроме того, чтобы избавить нас от необходимости понимать это на квантовом уровне, мы примем, что атомы ферромагнитных материалов стремятся выровнять свои магнитные поля со своими соседями.Хотя они имеют тенденцию выравниваться, несоответствия в материале и других факторах, таких как кристаллическая структура, создают магнитные домены.

Когда магнитные домены выровнены в случайном порядке, соседние поля компенсируют друг друга, что приводит к образованию намагниченного материала. Оказавшись в сильном внешнем поле, можно перестроить эти домены. При выравнивании этих доменов общее поле усиливается, создавая магнит!

Это повторное выравнивание может быть постоянным в зависимости от напряженности поля.Это здорово, потому что они нам понадобятся в следующем разделе.

постоянных магнитов

Постоянные магниты ведут себя так же, как электромагниты. Разница лишь в том, что они постоянны.

На всех чертежах стрелки будут указывать в направлении от северного полюса к южному полюсу. Другое соглашение состоит в том, чтобы использовать красный цвет для представления севера и синий для представления юга. Чтобы определить полярность магнитов, вы можете использовать компас. Поскольку противоположности притягиваются, стрелка будет указывать на север к южному полюсу магнита.

Вы можете выполнить тот же эксперимент с электромагнитом, чтобы определить полярность.

Если вы измените направление тока, вы увидите, как электромагнит может повернуть свои полюса.

Это ключевой принцип построения двигателей! Теперь давайте посмотрим на некоторые разные двигатели и как они используют магниты и электромагниты.

DC Brush Motors - Классический

Щеточный двигатель постоянного тока является одним из самых простых двигателей, используемых в настоящее время.Вы можете найти эти моторы где угодно. Они в бытовой технике, игрушках и автомобилях. Эти моторы просты в конструировании и управлении, и они являются идеальным решением для профессионалов и любителей.

Анатомия кисти двигателя

Чтобы лучше понять, как это работает, давайте начнем с того, что сломаем простой хобби-мотор. Как видите, они просты по конструкции, состоят из нескольких ключевых компонентов.

    Щетки
  • - Подает питание от контактов к якорю через коммутатор
  • Контакты
  • - Подает питание от контроллера к щеткам
  • Коммутатор
  • - Подает питание на соответствующий набор обмоток при вращении якоря
  • Обмотки
  • - преобразует электричество в магнитное поле, которое приводит в движение ось
  • Ось
  • - передает механическую мощность двигателя пользовательскому приложению
  • Магниты - обеспечивают магнитное поле для обмоток, чтобы притягивать и отталкивать
  • Втулка
  • - минимизирует трение на ось
  • Can - Обеспечивает механический кожух для двигателя

Теория работы

Когда обмотки находятся под напряжением, они притягиваются к магнитам, расположенным вокруг двигателя.Это вращает двигатель, пока щетки не соприкоснутся с новым набором контактов коммутатора. Этот новый контакт возбуждает новый набор обмоток и снова запускает процесс. Чтобы изменить направление вращения двигателя, просто измените полярность контактов двигателя. Искры внутри мотора щетки возникают при переходе щетки к следующему контакту. Каждый провод катушки соединен с двумя ближайшими контактами коммутатора.

Нечетное количество обмоток всегда используется для предотвращения блокировки двигателя в устойчивом состоянии.Более крупные двигатели также используют больше наборов обмоток, чтобы помочь устранить «зубцы», обеспечивая, таким образом, плавное управление при низких оборотах в минуту (об / мин). Зубчатость может быть продемонстрирована вращением оси двигателя вручную. Вы почувствуете «удары» в движении, когда магниты находятся ближе всего к обнаженному статору. Зубчатость может быть устранена с помощью нескольких хитростей в дизайне, но наиболее распространенным является удаление статора все вместе. Эти типы двигателей называют двигателями без железа или без сердечника.

Плюсы

  • Прост в управлении
  • Превосходный крутящий момент на низких оборотах
  • Недорого и массово произведено

Минусы

  • Щетки могут изнашиваться со временем
  • Кисти дуги могут генерировать электромагнитный шум
  • Обычно ограничен по скорости из-за нагрева щетки

Бесщеточные двигатели - БОЛЬШЕ МОЩНОСТИ!

Бесщеточные двигатели вступают во владение! Хорошо, возможно это было преувеличением.Тем не менее, бесколлекторные двигатели начали доминировать на рынках хобби между самолетами и наземными транспортными средствами. Управление этими двигателями было препятствием, пока микроконтроллеры не стали дешевыми и достаточно мощными, чтобы справиться с этой задачей. Продолжается работа по разработке более быстрых и эффективных контроллеров, чтобы раскрыть их удивительный потенциал. Без щеток, которые выходят из строя, эти двигатели обеспечивают большую мощность и могут работать тихо. Большинство высококачественных приборов и транспортных средств переходят на бесщеточные системы. Один известный пример - Tesla Model S.

Анатомия бесщеточного мотора

Чтобы лучше понять, как это работает, давайте начнем с того, что сломаем простой бесщеточный мотор. Они обычно встречаются на самолетах и ​​вертолетах с дистанционным управлением.

    Обмотки
  • - преобразует электричество в магнитное поле, которое приводит в движение ротор
  • Контакты - Подает питание от контроллера к обмоткам
  • Подшипники - минимизирует трение для оси
  • Магниты - обеспечивают магнитное поле для обмоток, чтобы притягивать и отталкивать
  • Ось
  • - передает механическую мощность двигателя пользовательскому приложению

Теория работы

Механика бесщеточного мотора невероятно проста.Единственная движущаяся часть - это ротор, который содержит магниты. Там, где все усложняется, является организация последовательности возбуждающих обмоток. Полярность каждой обмотки контролируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток меняет полярность, придавая каждой обмотке эффект «двухтактный». Хитрость заключается в том, чтобы синхронизировать этот шаблон со скоростью вращения ротора. Есть два (широко используемых) способа, которыми это может быть достигнуто.Большинство контроллеров для хобби измеряют напряжение, создаваемое (обратная электромагнитная помеха) на обесточенной обмотке. Этот метод очень надежен при работе на высокой скорости. Поскольку двигатель вращается медленнее, создаваемое напряжение становится все труднее измерить, и возникает больше ошибок. Новые контроллеры для хобби и многие промышленные контроллеры используют датчики Холла для непосредственного измерения положения магнитов. Это основной метод управления компьютерными вентиляторами.

Плюсы

  • Надежный
  • Высокая скорость
  • Эффективный
  • массового производства и легко найти

Минусы

  • Сложно контролировать без специализированного контроллера
  • Требуются низкие пусковые нагрузки
  • Обычно требуются специальные редукторы для привода.

Stepper Motors - просто точный

Шаговые двигатели - отличные двигатели для контроля положения.Они могут быть найдены в настольных принтерах, плоттерах, 3D-принтерах, фрезерных станках с ЧПУ и во всем, что требует точного контроля положения. Степперы - это особый сегмент бесщеточных моторов. Они специально созданы для обеспечения высокого крутящего момента. Этот высокий удерживающий момент дает пользователю возможность постепенно «шагать» к следующей позиции. Это приводит к простой системе позиционирования, которая не требует кодера. Это делает контроллер шагового двигателя очень простым в сборке и использовании.

Анатомия шагового двигателя

Чтобы лучше понять, как это работает, давайте начнем с того, что сломаем простой шаговый двигатель.Как вы можете видеть, эти двигатели предназначены для прямых нагрузок, содержащих несколько ключевых компонентов.

    Ось
  • - передает механическую мощность двигателя пользовательскому приложению
  • Подшипники - минимизирует трение для оси
  • Магниты - обеспечивают магнитное поле для обмоток, чтобы притягивать и отталкивать
  • Poles - увеличивает разрешение шага расстояния путем фокусировки магнитного поля
  • Обмотки
  • - преобразует электричество в магнитное поле, которое приводит в движение ось
  • Контакты - Подает питание от контроллера к обмоткам

Теория работы

Шаговые двигатели ведут себя точно так же, как и бесщеточные, только размер шага намного меньше.Единственная движущаяся часть - это ротор, который содержит магниты. Там, где все усложняется, является организация последовательности возбуждающих обмоток. Полярность каждой обмотки контролируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток меняет полярность, придавая каждой обмотке эффект «двухтактный». Заметным отличием является то, что магнитная структура степпера отличается. Трудно заставить множество магнитов вести себя хорошо в небольших масштабах.Это также очень дорого. Чтобы обойти это, большинство шаговых двигателей используют метод с накоплением пластин для направления магнитных полюсов в «зубья».

В бесщеточном двигателе для измерения скорости используется обратная ЭДС. Степпер опирается на короткий ход каждой обмотки, чтобы «гарантировать», что он достигает желаемого момента времени. В высокоскоростном движении это может привести к остановке, когда ротор не успевает за ходом. Есть способы обойти это, но они полагаются на более глубокое понимание взаимосвязи между обмотками двигателя и индуктивностью.

Плюсы

  • Отличная точность позиционирования
  • Высокий удерживающий момент
  • Высокая надежность
  • Большинство степперов выпускаются в стандартных размерах

Минусы

  • Максимальная дистанция шага ограничивает максимальную скорость
  • Возможно «пропускать» ступени при высоких нагрузках
  • постоянно потребляет максимальный ток

Линейный Моторс - Будущее !!!

Будущее линейно! В высокоскоростных машинах для захвата и размещения скорость - это все.С быстротой возникает трение, с трением приходит обслуживание, с обслуживанием приходит время простоя, с простоями идет потеря производительности. Благодаря удалению компонентов, необходимых для перевода вращательного движения в линейное, система становится намного легче и эффективнее. Линейные двигатели просты в обслуживании и, имея только одну движущуюся деталь, невероятно надежны. Я упоминал, что они невероятно быстрые ?! Это та машина, которую мы используем в производстве, и она невероятно быстрая! Эта машина также обладает таким ударом, на ней есть предупреждение для кардиостимуляторов.Существует целый ряд мощных редкоземельных магнитов.

Анатомия линейного двигателя

Чтобы лучше понять, как это работает, давайте заглянем внутрь нашего ковша и расположим машину внизу.

  • Motion Module - содержит электромагниты и контроллер.
  • Магниты - обеспечивают магнитное поле для катушек, чтобы притягивать и отталкивать
  • Линейный подшипник - держит двигатель на одной оси с магнитами и является единственной движущейся частью.

Теория Операции

Механика линейного двигателя практически идентична бесщеточному двигателю.Разница лишь в том, что если бы вы взяли бесщеточный мотор и развернули его по прямой линии, у вас был бы линейный мотор. Модуль движения является единственной движущейся частью. Там, где все становится сложным, является организация последовательности подпитки катушек. Полярность каждой катушки регулируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток меняет полярность, давая каждой катушке эффект «толкай / толкай» В линейном двигателе обычно имеется кодер или какая-то продвинутая система позиционирования для отслеживания местоположения модуля движения.Для достижения высокой точности позиционирования контроллеры намного сложнее, чем все, что встречается в обычной системе. Микрошаг является методом «дросселирования» магнитов для обеспечения плавного и точного движения. Для достижения этого линейные двигатели требуют узкоспециализированного контроллера, настроенного для каждого двигателя. По мере совершенствования технологии контроллеров мы, вероятно, увидим, что эти двигатели подешевеют. Может быть, когда-нибудь наши 3D-принтеры будут печатать в считанные секунды, а не часы!

Плюсы

  • Надежный
  • Высокая скорость
  • Эффективный
  • Ротари в линейное преобразование не требуется

Минусы

  • Дорого
  • Требуются нестандартные контроллеры
  • Назначение построено для каждой системы
  • я упоминал дорогой?

Ресурсы и дальнейшее развитие

Итак, мы рассмотрели несколько различных типов двигателей и их использование.Выбор двигателя потребует от вас сначала определить требования к применению. С этими требованиями вы можете посмотреть на сильные и слабые стороны каждого типа двигателя. Но что еще более важно, ищите оценки на каждом двигателе. Каждый двигатель будет иметь значения для входной мощности и выходной мощности. Вы можете рассчитать требования к нагрузке системы, но иногда достаточно просто попробовать! Чтобы дать вам уверенность в интеграции двигателей, взгляните на некоторые из этих страниц:

И, наконец, это отличное место для изучения всего, что связано с физикой.

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020