Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Шаговый двигатель как устроен


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 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, 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. 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.

Что такое шаговый двигатель и как он работает

От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до сложнейшего станка с ЧПУ или роботизированной руки - 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 включения - .

1. Один пошаговый фазовый или волновой пошаговый режим: 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 °, так как он равен 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 небольшие 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 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.

Фундаментальный 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 под напряжением, а предыдущий полюс будет 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 поочередно 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 возбужденный 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!


Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020