В каких сканерах шаговые двигатели

Шаговые двигатели

Одним из наиболее эффективных вариантов небольшого самодельного ветроэлектрогенератора является использование шагового двигателя (ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor) — в таком моторе вращение вала состоит из небольших шагов. Обмотки шагового двигателя объединены в фазы.

При подаче тока в одну из фаз происходит перемещение вала на один шаг.
Эти двигатели являются низкооборотными и генератор с таким двигателем может быть без редуктора подключен к ветряной турбине, двигателю Стирлинга или другому низкооборотному источнику мощности.

При использовании в качестве генератора обычного (коллекторного) двигателя постоянного тока для достижения таких же результатов потребовалась бы в 10-15 раз более высокая частота вращения.

Особенностью шаговика является достаточно высокий момент трогания (даже без подключенной к генератору электрической нагрузки), достигающий 40 грамм силы на сантиметр.

Коэффициент полезного действия генератора с ШД достигает 40 %.

Для проверки работоспособности шагового двигателя можно подключить, например, красный светодиод. Вращая вал двигателя, можно наблюдать свечение светодиода. Полярность подключения светодиода не имеет значения, так как двигатель вырабатывает переменный ток.

Кладезем таких достаточно мощных двигателей являются пятидюймовые дисководы гибких дисков, а также старые принтеры и сканеры.

Двигатель 1

Например, я располагаю ШД из старого 5.25″ дисковода, работавшего еще в составе ZX Spectrum — совместимого компьютера «Байт».

Такой дисковод содержит две обмотки, от концов и середины которых сделаны выводы — итого из двигателя выведено шесть проводов:
первая обмотка (англ. coil 1) — синий (англ. blue) и желтый (англ. yellow);
вторая обмотка (англ. coil 2) — красный (англ. red) и белый (англ. white);коричневые (англ. brown) провода — выводы от средних точек каждой обмотки (англ. center taps).

разобранный шаговый мотор

Слева виден ротор двигателя, на котором видны «полосатые» магнитные полюсы — северный и южный. Правее видна обмотка статора, состоящая из восьми катушек.
Сопротивление половины обмотки составляет ~ 70 Ом.

Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.

Двигатель 2

Находящийся в моем распоряжении менее мощный шаговый двигатель T1319635 фирмы Epoch Electronics Corp. из сканера HP Scanjet 2400 имеет пять выводов (униполярный мотор):
первая обмотка (англ. coil 1) — оранжевый (англ. orange) и черный (англ. black);
вторая обмотка (англ. coil 2) — коричневый (англ. brown) и желтый (англ. yellow);красный (англ. red) провод — соединенные вместе выводы от средней точки каждой обмотки (англ. center taps).

• Сопротивление половины обмотки составляет 58 Ом, которое указано на корпусе двигателя.
• Двигатель 3
• В улучшенном варианте ветрогенератора я использовал шаговый двигатель Robotron SPA 42/100-558, произведенный в ГДР и рассчитанный на напряжение 12 В:
• Ветротурбина
• Возможны два варианта расположения оси крыльчатки (турбины) ветрогенератора — горизонтальное и вертикальное.
• Преимуществом горизонтального (наиболее популярного) расположения оси, располагающейся по направлению ветра, является более эффективное использование энергии ветра, недостаток — усложнение конструкции.

Я выбрал вертикальное расположение оси — VAWT (vertical axis wind turbine), что существенно упрощает конструкцию и не требует ориентации по ветру. Такой вариант более пригоден для монтирования на крышу, он намного эффективнее в условиях быстрого и частого изменения направления ветра.

ветротурбина Савониуса

Я использовал тип ветротурбины, называемый ветротурбина Савониуса (англ.Savonius wind turbine). Она была изобретена в 1922 году Сигурдом Йоханнесом Савониусом (Sigurd Johannes Savonius) из Финляндии.Сигурд Йоханнес Савониус

Работа  ветротурбины Савониуса основана на том, что сопротивление (англ. drag) набегающему потоку воздуха — ветру вогнутой поверхности цилиндра (лопасти) больше, чем выпуклой.

Коэффициенты аэродинамического сопротивления (англ. drag coefficients) $C_D$
двумерные тела:
вогнутая половина цилиндра (1) — 2,30
выпуклая половина цилиндра (2) — 1,20
плоская квадратная пластина — 1,17

трехмерные тела:

вогнутая полая полусфера (3) — 1,42
выпуклая полая полусфера (4) — 0,38
сфера — 0,5

Указанные значения приведены для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers) в диапазоне $10^4 — 10^6$. Число Рейнольдса характеризует поведение тела в среде.

Сила сопротивления тела воздушному потоку ${F_D} = {{1 over 2} {C_D} S 
ho {v^2} } $, где $
ho$ — плотность воздуха, $v$ — скорость воздушного потока, $S$ — площадь сечения тела.

Подобный принцип работы используется в чашечном анемометре (англ. cup anemometer) — приборе для измерения скорости ветра:

Такой анемометр был изобретен в 1846 году ирландским астрономом Джоном Томасом Ромни Робинсоном (John Thomas Romney Robinson):

Робинсон полагал, что чашки в его четырехчашечном анемометре перемещаются со скоростью, равной одной трети скорости ветра. В реальности это значение колеблется от двух до немногим более трех.

В настоящее время для измерения скорости ветра используются трехчашечные анемометры, разработанные канадским метеорологом Джоном Паттерсоном (John Patterson) в 1926 году:

Генераторы на коллекторных двигателях постоянного тока с вертикальной микротурбиной продаются на eBay по цене около $5:

Такая турбина содержит четыре лопасти, расположенные вдоль двух перпендикулярных осей, с диаметром крыльчатки 100 мм, высотой лопасти 60 мм, длиной хорды 30 мм и высотой сегмента 11 мм.

Крыльчатка насажена на вал коллекторного микродвигателя постоянного тока с маркировкой JQ24-125H670. Номинальное напряжение питания такого двигателя составляет 3 … 12 В.

Энергии, вырабатываемой таким генератором, хватает для свечения «белого» светодиода.

Скорость вращения ветротурбины Савониуса не может превышать скорость ветра, но при этом такая конструкция характеризуется высоким крутящим моментом (англ. torque).

Эффективность ветротурбины можно оценить, сравнив вырабатываемую ветрогенератором мощность с мощностью, заключенной в ветре, обдувающем турбину:
$P = {1over 2}
ho S {v^3}$ , где $
ho$ — плотность воздуха (около 1,225 кг/м3 на уровне моря), $S$ — ометаемая площадь турбины (англ. swept area), $v$ — скорость ветра.

1. Моя ветротурбина
2. Вариант 1
3. Первоначально в крыльчатке моего генератора использованы четыре лопасти в виде сегментов (половинок) цилиндров, вырезанных из пластиковых труб:
   Размеры сегментов —
   длина сегмента — 14 см;
   высота сегмента — 2 см;
   длина хорды сегмента — 4 см;
4. расстояние от начала сегмента до центра оси вращения — 3 см.
5. Я установил собранную конструкцию на достаточно высокой (6 м 70 см) деревянной мачте из бруса, прикрепленную саморезами к металлическому каркасу:
6. Вариант 2
7. Недостатком генератора была достаточно высокая скорость ветра, требуемая для раскрутки лопастей. Для увеличения площади поверхности я использовал лопасти, вырезанные из пластиковых бутылок:
8. Размеры сегментов —
   длина сегмента — 18 см;
   высота сегмента — 5 см;
   длина хорды сегмента — 7 см;
9. расстояние от начала сегмента до центра оси вращения — 3 см.
10. Вариант 3

Проблемой оказалась прочность держателей лопастей. Сначала я использовал перфорированные алюминиевые планки от советского детского конструктора толщиной 1 мм. Через несколько суток эксплуатации сильные порывы ветра привели к излому планок (1).

После этой неудачи я решил вырезать держатели лопастей из фольгированного текстолита (2) толщиной 1,8 мм:
Прочность текстолита на изгиб перпендикулярно пластине составляет 204 МПа и сравним с прочностью на изгиб алюминия — 275 МПа. Но модуль упругости алюминия  $E$ (70000 МПа) намного больше, чем у текстолита (10000 МПа), т.е. тексолит намного эластичнее алюминия.

Это, по моему мнению, с учетом большей толщины текстолитовых держателей, обеспечит гораздо большую надежность крепления лопастей ветрогенератора.
Ветрогенератор смонтирован на мачте:

• Опытная эксплуатация нового варианта ветрогенератора показала его надежность даже при сильных порывах ветра.
• ветротурбина Дарье

Недостатком турбины Савониуса является невысокая эффективность — только около 15 % энергии ветра преобразуется в энергию вращения вала (это намного меньше, чем может быть достигнуто с ветротурбиной Дарье (англ.

Darrieus wind turbine)), использующей подъемную силу (англ. lift). Этот вид ветротурбины был изобретен французским авиаконструктором Жоржем Дарье (Georges Jean Marie Darrieus) — патент США от 1931 года № 1,835,018.

Жорж Дарье
 

1. Недостатком турбины Дарье является то, что у нее очень плохой самозапуск (для выработки крутящего момента от ветра турбины уже должна быть раскручена).
2. Преобразование электроэнергии, вырабатываемой шаговым двигателем

Выводы шагового двигателя могут быть подключены к двум мостовым выпрямителям, собранным из диодов Шоттки для снижения падения напряжения на диодах.
Можно применить популярные диоды Шоттки 1N5817 с максимальным обратным напряжением 20 В, 1N5819 — 40 В и максимальным прямым средним выпрямленным током 1 А.

Я соединил выходы выпрямителей последовательно с целью увеличения выходного напряжения.
Также можно использовать два выпрямителя со средней точкой. Такой выпрямитель требует в два раза меньше диодов, но при этом и выходное напряжение снижается в два раза.
Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью емкостного фильтра — конденсатора 1000 мкФ на 25 В.

  Для защиты от повышенного генерируемого напряжения параллельно конденсатору включен стабилитрон на 25 В.

схема моего ветрогенератораэлектронный блок моего ветрогенератора

• Применение ветрогенератора
• Вырабатываемое ветрогенератором напряжение зависит от величины и постоянства скорости ветра.

При ветре, колышущем тонкие ветви деревьев, напряжение достигает 2 … 3 В.

При ветре, колышущем толстые ветви деревьев, напряжение достигает 4 … 5 В (при сильных порывах — до 7 В).

1. ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF
2. Сглаженное напряжение с конденсатора ветрогенератора может подаваться на Joule Thief — низковольтный DC-DC преобразователь
3. Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) — целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.
   Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp-транзистора ГТ308В (VT) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 — выводы 2-3, L2 — выводы 5-6) :
4. ЗАРЯД ИОНИСТОРОВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ)

Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Ионистор — неполярный элемент, но один из выводов может быть помечен «стрелкой» — для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

Для первоначальных исследований я использовал ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):
Я подключил его через диод к выходу Joule Thief через германиевый диод Д310.

• Для ограничения максимального напряжения зарядки ионистора можно использовать стабилитрон или цепочку светодиодов — я использую цепочку из двух красных светодиодов:
• Для предотвращения разряда уже заряженного ионистора через ограничительные светодиоды HL1 и HL2 я добавил еще один диод — VD2.
• Продолжение следует

Простой в изготовлении контроллер шагового двигателя из старых деталей

• Шаг 1.
• Нам потребуется…
• От старого сканера:

• 1 шаговый двигатель
• 1 микросхема ULN2003
• 2 стальных прута

Для корпуса: — 1 картонная коробка

Инструменты:

• Клеевой пистолет
• Кусачки
• Ножницы
• Принадлежности для пайки
• Краска

Для контроллера:

• 1 разъем DB-25 — провод
• 1 цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока Для испытательного стенда
• 1 стержень с резьбой
• 1 подходящая под стержень гайка — разные шайбы и шурупы — куски древесины

Для управляющего компьютера:

• 1 старый компьютер (или ноутбук)
• 1 копия TurboCNC (отсюда)

Шаг 2.

Берем детали от старого сканера. Чтобы построить собственный ЧПУ контроллер нужно для начала извлечь из сканера шаговый двигатель и плату управления.

Здесь не приведено никаких фотографий, потому что каждый сканер выглядит по-своему, но обычно нужно просто снять стекло и вывернуть несколько винтов.

Кроме двигателя и платы можно оставить еще металлические стержни, которые потребуются для тестирования шагового двигателя.

Шаг 3.

Извлекаем микросхему из платы управления Теперь нужно найти на плате управления шаговым двигателем микросхему ULN2003. Если вы не смогли обнаружить ее на своем устройстве, ULN2003 можно купить отдельно. Если она есть, ее нужно выпаять.

Это потребует некоторого умения, но не так уж сложно. Сначала при помощи отсоса удалите как можно больше припоя. После этого осторожно просуньте под микросхему конец отвертки.

Осторожно прикоснитесь концом паяльника к каждому выводу, продолжая при этом нажимать на отвертку.

Шаг 4.

Пайка Теперь нам нужно припаять микросхему на макетную плату. Припаяйте к плате все выводы микросхемы.

На показанной здесь макетной плате имеется две шины электропитания, поэтому положительный вывод ULN2003 (смотрите схему здесь и на рисунке ниже) припаивается к одной из них, а отрицательный — к другой. Теперь, нужно соединить вывод 2 коннектора параллельного порта с выводом 1 ULN2003.

Вывод 3 коннектора параллельного порта соединяется с выводом 2 ULN2003, вывод 4 — с выводом 3 ULN2003 и вывод 5 — с выводом 4 ULN2003. Теперь вывод 25 параллельного порта припаивается к отрицательной шине питания. Далее к управляющему устройству припаивается мотор.

Делать это придется путем проб и ошибок. Можно просто припаять провода так, чтобы потом цеплять на них крокодилы. Еще можно использовать клеммы с винтовым креплением или что-нибудь подобное. Просто припаяйте провода к выводам 16, 15, 14 и 13 микросхемы ULN2003.

Теперь припаяйте провод (желательно черный) к положительной шине питания. Управляющее устройство почти готово. Наконец, подсоедините к шинам электропитания на макетной плате цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока. Чтобы провода не могли отломаться, их закрепляют клеем из пистолета.

Шаг 5.

Установка программного обеспечения Теперь о программном обеспечении. Единственная вещь, которая точно будет работать с вашим новым устройством — это Turbo CNC. Скачайте его здесь. Распакуйте архив и запишите на CD.

Теперь, на компьютере, который вы собираетесь использовать для управления, перейдите на диск C:// и создайте в корне папку «tcnc». Затем, скопируйте файлы с CD в новую папку. Закройте все окна.

Вы только что установили Turbo CNC.

1. Шаг 6.

Настройка программного обеспечения Перезагрузите компьютер чтобы перейти к работе в MS-DOS. В командной строке наберите «C: cncTURBOCNC». Иногда лучше использовать загрузочный диск, тогда копия TURBOCNC помещается на него и нужно набирать, соответственно «A: cncTURBOCNC». Возникнет экран, похожий на изображенный на рис. 3. Нажмите пробел.

Теперь вы находитесь в главном меню программы. Нажмите F1, и при помощи клавиш со стрелками выберите меню «Configure». При помощи клавиш со стрелками выберите «number of axis». Нажмите Enter. Введите количество осей, которые будут использоваться. Поскольку у нас только один мотор, выбираем «1». Нажмите Enter чтобы продолжить.

Снова нажмите F1 и в меню «Configure» выберите пункт «Configure axes», затем дважды нажмите Enter.

Появится следующий экран. Нажимайте Tab пока не перейдете к ячейке «Drive Type». При помощи стрелки вниз выберите пункт «Phase». Снова при помощи Tab выберите ячейку «Scale». Чтобы использовать калькулятор, нам нужно найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот.

Зная номер модели двигателя, можно установить на сколько градусов он поворачивается за один шаг. Чтобы найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот, теперь нужно поделить 360 на число градусов за один шаг. Например, если мотор поворачивается за один шаг на 7,5 градусов, 360 поделить на 7,5 получится 48.

Число, которое получится у вас, забейте в калькулятор шкалы (scale calculator).

Остальные настройки оставьте как есть. Нажмите OK, и скопируйте число в ячейке Scale в такую же ячейку на другом компьютере.

В ячейке Acceleration установите значение 20, поскольку установленных по умолчанию 2000 слишком много для нашей системы. Начальную скорость установите равной 20, а максимальную — 175.

Нажимайте Tab пока не дойдете до пункта «Last Phase». Установите в нем значение 4. Нажимайте Tab пока не дойдете до первого ряда иксов.

• Скопируйте следующее в четыре первых ячейки:
• 1000XXXXXXXX 0100XXXXXXXX 0010XXXXXXXX
• 0001XXXXXXXX

Остальные ячейки оставьте без изменений. Выберите OK. Теперь вы настроили программное обеспечение.

1. Шаг 7.

Строим тестовый вал Следующим этапом работы будет сборка простого вала для тестовой системы. Отрежьте 3 бруска дерева и скрепите их друг с другом. Чтобы получить ровные отверстия проведите на поверхности дерева ровную линию. Просверлите на линии два отверстия.

Еще 1 отверстие просверлите посередине ниже первых двух. Отсоедините бруски. Через два отверстия, что находятся на одной линии, проденьте стальные пруты. Чтобы закрепить пруты воспользуйтесь небольшими шурупами. Проденьте пруты сквозь второй брусок. На последнем бруске закрепите двигатель.

Не имеет значения, как вы это сделаете, будьте изобретательны.

Чтобы закрепить двигатель, имевшийся в наличии, использовали два отрезка стержня с резьбой 1/8. Брусок с прикрепленным двигателем надевается на свободный конец стальных прутов. Снова закрепите их шурупами. Сквозь третье отверстие на первом бруске проденьте стержень с резьбой.

Заверните на стержне гайку. Проденьте стержень сквозь отверстие во втором бруске. Поворачивайте стержень до тех пор, пока он не пройдет сквозь все отверстия и не дойдет до вала двигателя. Соедините вал двигателя и стержень при помощи шланга и зажимов из проволоки.

На втором бруске гайка удерживается при помощи дополнительных гаек и винтов. В завершение, отрежьте брусок дерева для подставки. Привинтите ее шурупами ко второму бруску. Проверьте, установлена ли подставка ровно на поверхности.

Регулировать положение подставки на поверхности можно при помощи дополнительных винтов и гаек. Так делается вал для тестовой системы.

• Шаг 8.

Подсоединяем и тестируем двигатель Теперь нужно соединить двигатель с контроллером. Во-первых, соедините общий провод (смотрите документацию к двигателю) с проводом, который был припаян к положительной шине питания. Другие четыре провода соединяются путем проб и ошибок.

Соедините их все, и затем меняйте порядок соединения, если ваш двигатель делает два шага вперед и один назад или что-либо подобное. Для проведения тестирования подключите 12 В 350 мА источник питания постоянного тока в цилиндрическое гнездо. Затем соедините разъем DB25 c компьютером. В TurboCNC проверьте как соединен двигатель.

В результате тестирования и проверки правильного подсоединения двигателя у вас должен получиться полностью работоспособный вал. Чтобы проверить масштабирование вашего устройства, прикрепите к нему маркер и запустите тестовую программу. Измерьте получившуюся линию. Если длина линии составляет порядка 2-3 см, устройство работает правильно.

В противном случае, проверьте вычисления в шаге 6. Если у вас все получилось, поздравляем, самое трудное уже позади.

1. TEST.CNC
2. Шаг 9.
3. Изготовление корпуса
4. Часть 1

Изготовление корпуса — это завершительный этап. Присоединимся к защитникам природы и сделаем его из вторсырья. Тем более, что контроллер у нас тоже не с магазинных полок. У представленного вашему вниманию образца плата имеет размер 5 на 7,5 см, поэтому корпус будет размером 7,5 на 10 на 5 см, чтобы оставить достаточно места для проводов.

Из картонной коробки вырезаем стенки. Вырезаем 2 прямоугольника размером 7,5 на 10 см, еще 2 размером 5 на 10 см и еще 2 размером 7,5 на 5 см (см. рисунки). В них нужно вырезать отверстия для разъемов. Обведите контуры разъема параллельного порта на одной из 5 х 10 стенок. На этой же стенке обведите контуры цилиндрического гнезда для питания постоянного тока.

Вырежьте по контурам оба отверстия. То, что вы будете делать дальше, зависит от того, припаивали ли вы к проводам двигателя разъемы. Если да, то закрепите их снаружи второй пока пустой стенки размером 5 х 10. Если нет, проткните в стенке 5 отверстий для проводов. При помощи клеевого пистолета соедините все стенки вместе (кроме верхней, см. рисунки).

Корпус можно покрасить.

• Шаг 10.
• Изготовление корпуса
• Часть 2

Теперь нужно приклеить все компоненты внутрь корпуса. Убедитесь, что на разъемы попало достаточно много клея, потому что они будут подвергаться большим нагрузкам. Чтобы коробка оставалась закрытой, нужно сделать защелки.

Из пенопласта вырежьте пару ушек. Затем вырежьте пару полос и четыре небольших квадратика. Приклейте по два квадратика к каждой из полос как показано на рисунке. Приклейте ушки по обеим сторонам корпуса. Сверху коробки приклейте полосы.

Этим завершается изготовление корпуса.

Шаг 11.

Возможные применения и заключение Этот контроллер можно применять как: — ЧПУ устройство — плоттер — или любую другую вещь, которой нужно точное управление движением. — добавление- Здесь приведены схема и инструкции по изготовлению контроллера с тремя осями. Чтобы настроить программное обеспечение, следуйте вышеуказанным шагам, но в поле «number of axis» введите 3.

1. Для настройки первой оси делайте все как было сказано выше, для второй оси тоже, но в строках первых четырех фаз введите следующее:
2. «XXXX1000XXXX XXXX0100XXXX XXXX0010XXXX
3. XXXX0001XXXX»
4. Для третьей оси в строках первых четырех фаз введите:
5. «XXXXXXXX1000 XXXXXXXX0100 XXXXXXXX0010
6. XXXXXXXX0001″

О шаговых двигателях и том, как их есть

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Подписаться

64

Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее… Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора. Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос — давайте разберёмся,- 'что же такое шаговый электродвигатель?'. Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не 'бесщёточный', а 'бесколлекторный', но с википедией спорить не будем, её всё таки 'умные' люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.Удерживающий момент — это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.Угол поворота — это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага — это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% — очень и очень хороший показатель.И тут можно задаться вопросом, — 'а как же напряжение?'. Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V — 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.

Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью.

Последние — экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами — те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод.

Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.

Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.

О чём ещё не сказал? О размерах? Ну разве ими кого-то удивишь? Наш типоразмер это Nema17, тут ничего нового. Можно и другие, но это уже снова экзотика.

Ну и последнее. Вот я купил двигатель, а дальше что? Как на нём правильно настроит ток? А всё очень просто, я уже поверхностно описывал этот процесс в одном из своих постов. Нам понадобится мультиметр, отвёртка и немного математики. Настройка тока производится методом кручения подсроечника на драйвере и снятия контрольного напряжения. Напряжение можно снимать — как на картинке.

А дальше считаем по формуле, какое контрольное напряжение (Vr) нам надо выставить. Формула различается для разных драйверов.

Для A4988:

Vr = Номинальный ток / 2,5

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 .5 = 0.68V

• Для DRV8825:
• Vr = Номинальный ток / 2

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 = 0,85V

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Подписаться

64

Zorin Загрузка

25.01.2022

4122

57

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Подписаться

По многочисленным просьбам комментаторов из моей прошлой статьи, было решено написать отдельную стат…

Часто задаваемые вопросы по шаговым двигателям (FAQ)

Ответ: Шаговые двигатели — это устройства, задача которых преобразование электрических импульсов в поворот вала двигателя на определенный угол.

В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели имеют особенности, которые определяют их свойства при использовании в специализированных областях: управляя шаговым двигателем с помощью специального устройства (драйвер шагового двигателя), можно поворачивать его вал на строго заданный угол.

Это позволяет применять его там, где требуется высокая точность перемещений. Наглядные примеры это принтеры, факсы, копировальные машины, станки с ЧПУ (Числовое программное управление), фрезерные, гравировальные машины, модули линейного перемещения, плоттеры, установщики радиоэлектронных компонентов.

Шаговый двигатель является бесколлекторным двигателем постоянного тока. Как и другие бесколлекторные двигатели, шаговый двигатель высоконадежен и при надлежащей эксплуатации имеет длительный срок службы. Далее: подробно о строении шагового двигателя

Вопрос: Какие достоинства у шаговых двигателей?

Ответ: Достоинства истекают из особенностей конструкции: — Шаговый двигатель может обеспечить очень точное перемещение на заданный угол, причем без обратной связи — поворот ротора зависит от числа поданных импульсов на устройство управления; — высокая точность позиционирования и повторяемость, так качественные шаговые двигатели имеют точность не хуже 5% от величины шага, при этом данная ошибка не накапливается; — хорошая надежность двигателя, обусловленная отсутствием щеток, при этом срок службы двигателя ограничивается лишь ресурсом подшипников; — обеспечивает получение сверхнизких скоростей вращения вала без использования редуктора; — работа в широком диапазоне скоростей, т.к. скорость напрямую зависит от количества входных импульсов. Недостатки — шаговый двигатель подвержен резонансу; — может пропустить шаги и реальная позиция вала окажется рассинхронизирована с позицией, заданной в управляющей системе — низкая удельная мощность шагового привода; — потребляемая энергия не уменьшается при отсутствии нагрузки; — малый момент на высоких скоростях;

Вопрос: Какие бывают шаговые двигатели?

Ответ: Шаговых двигателей существует множество разновидностей. В настоящее время 95% всех шаговых двигателей — гибридные. В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся: а)Биполярный — имеет четыре выхода, содержит в себе две обмотки.

б)Униполярный — имеет шесть выходов. Содержит в себе две обмотки, но каждая обмотка имеет отвод из середины. в)Четырехобмоточный — имеет четыре независимые обмотки.

Можно представлять его как униполярный, обмотки которого разъединены, а если соединить соседние отводы — получим биполярный двигатель.

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть: однополярным или разнополярным; симметричным или несимметричным; ·потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное.

Вопрос: Корпус у меня не разборный, а хочется посмотреть что внутри!

Ответ: Внутри находятся обмотки, зубчатый ротор и несколько подшипников. Не стоит разбирать рабочий двигатель. Ротор устанавливается с малым зазором, кроме того, система ротор-статор образует замкнутый магнитопровод, который намагничивается в собранном состоянии, и двигатель после разборки теряет существенную часть момента. 

Вопрос: На какой минимальный угол может повернуться шаговый двигатель?

Ответ: Большинство моделей имеет 200 шагов на оборот, т.е. 1.8 градуса на шаг. Также производятся и можно заказать у нас двигатель с шагом в 0.9 градуса(400 шагов на оборот).

Существует также возможность использования микрошагового режима, который позволяет делить шаг без потери точности на 8-10 микрошагов. Это означает, что для двигателя с шагом 0.9 градуса минимальным угла поворота будет примерно 0,09 град = 5.4 угловых минуты.

Существуют также драйверы, которые могут делить шаг на 256 и даже 512 микрошагов.

Но практическое значение таких делений невелико — во-первых, для совершения каждого микрошага требуется подать отдельный импульс STEP, соответственно, требуется очень высокая частота импульсов, во-вторых, точность перестает расти уже после деления шага на 10-16 частей. Единственным применением таких режимов остается повышение плавности хода двигателя.

Вопрос: Какие существуют программы для работы с шаговыми двигателями?

Ответ: Их существует множетсво как перемещение на определенный шаг, так для трехмерного использования. Могут управлять от одного до шести двигателей. Например MACH3, LinuxCNC, Turbocnc, NC Studio.

Вопрос: Как можно повысить точность вращения вала шагового двигателя?

Ответ: Есть режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования.

Однако, деление шага не всегда приводит к увеличению точности. Погрешность установки вала всегда равна указанному производителем значению (обычно 5% от полного шага), вне зависимости от микрошага. Кроме того, точность установки снижается, если ток в одной из обмоток близок к нулю. В результате точность увеличивает деление шага до примерно 8-10 микрошагов (деление 1/8 или 1/10).

Большие значения приводят лишь к увеличению плавности хода.

Вопрос: Что означают характеристики шагового двигателя — ток, индуктивность, напряжение и т.п.?

Ответ: Все характеристики двигателя находятся в тесной взаимосвязи и определяют главную — кривую зависимости крутящего момента от скорости. Рассматривать влияение характеристик надо для двигателей одного размера.

Момент удержания — пиковое значение крутящего момента двигателя — зависит от тока и индуктивности обмотки.

Чем больше индуктивность, тем больший момент удержания можно развить, но тем больше требуется напряжение питания на высоких скоростях, чтобы преодолеть индуктивное сопротивление и закачать нужный ток в обмотку. Ток обмотки также определяет выбор драйвера шагового двигателя.

Напряжение питания обмотки равно U = I*R, номинальному току обмотки умноженному на напряжение и показывает, какое постоянное напряжение надо подать на обмотку, чтобы получить номинальный ток и, соответственно, момент удержания. Величина напряжения используется при выборе драйвера и характеристик источника питания.

Вопрос: Какой шаговый двигатель лучше, А или Б?

Ответ: Этот вопрос неоднозначен, но все же дадим пару рекомендаций. Как правило, ориентироваться надо не на момент удержания, а на индуктивность.

Лучше работают те двигатели, у которых индуктивность меньше — большинство задач требуют момента на высоких скоростях, и малая индуктивность требует меньшего напряжения питания. Нормальной индуктивностью можно считать 2-5 мГн для двигателей NEMA23 (фланец 57 мм), 4-6 мГн для двигателей NEMA34 (фланец 86 мм).

Если А и Б — двигатели разного размера, смотрите кривую зависимости момента от скорости — чем она более пологая, тем лучше. См. более подробный алгоритм выбора шагового двигателя.

Вопрос: Что такое драйвер управления шаговым двигателем?

Ответ: Драйверы шаговых двигателей используются для управления биполярными и униполярными шаговыми двигателями с полным шагом, половинным и микрошагом. Они действуют как посредники между компьютером и двигателем и должны подбираться по напряжению и уровню мощности, типу сигнала (аналоговый и цифровой).

Тип двигателя является самым важным фактором при выборе драйвера. В униполярном или биполярном двигателе ток проходит только в одном направлении по обмотке. Биполярные шаговые двигатели имеют две обмотки через которые ток проходит поочередно. Шаговые двигатели с полным шагом приводятся в движение благодаря изменениям магнитного поля относительно ротора.

Полушаговые двигатели в свою очередь действуют также, как двигатели с полным шагом однако угловое перемещение ротора составляет половину шага полношагового двигателя. На каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла.

Микрошаговые или минишаговые двигатели отличаются дискретным числом угловых перемещений угловых положений между каждым полным шагом. В драйверах минишаговых и микрошаговых двигателей используются электронные методы улучшения позиционного решения системы управления.

 Драйверы шаговых двигателей отличаются по электрическим характеристикам, параметрам управления, размерам и техническим характеристикам. Электрические характеристики включают в себя максимальное напряжение на входе, номинальную мощность, силу тока на выходе, максимальная сила тока на выходе, питание переменным и постоянным током.

 Драйверы для шаговых двигателей могут быть однофазными или трех фазными с частотой в 50, 60, или 400 Гц. Параметры управления включают в себя особенности установки и управления. В некоторых драйверах используются ручные средства управления типа кнопок, DIP-переключателей или потенциометров.

В других используются джойстики, цифровые пульты управления, компьютерные интерфейсы, или слоты для карт PCMCIA (Международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров). Программы контроля могут быть сохранены на передвижных, энергонезависимых носителях данных.

Переносные блоки управления разработаны для управления с удаленных точек. Также доступно беспроводное и WEB управления. Форма драйверов позволяет сборку модуля в нескольких конфигурациях. Большинство устройств могут монтироваться на шасси, контактные DIN рельсы, панели, стойки, стены или печатные платы (PCB).

Также возможна установка автономных устройств и интегральных микросхем, которые монтируются на печатные платы. Особенности драйверов: подавление резонанса; вспомогательные входы/выходы (I/O); мягкий старт; автонастройка, самодиагностика и проверка состояния; а так же сигнализация в таких случаях как перенапряжение.

В драйверах используют много различных типов шин и коммуникационных систем. Шинные типы: (ATA), (PCI), (IDE), (ISA), (GPIB), (USB) и (VMEbus). Коммуникационные стандарты: ARCNET, AS-i, Beckhoff I/O, CANbus, CANopen, DeviceNet, Ethernet, (SCSI) и (SDS). Также доступно большое количество последовательных и параллельных интерфейсов. Соответствующая статья поможет подобрать драйвер биполярного двигателя для станка с ЧПУ.

Вопрос: Как узнать, подходит ли двигатель А к драйверу Б

Ответ: Чтобы это узнать, сделайте следующее: 1) проверьте, может ли драйвер выдавать ток фазы, равный(или примерно равный)току, указанному производителем двигателя. Если ток драйвера заметно меньше тока фазы двигателя — драйвер не подходит.

2) Вычислите максимальное напряжение питания двигателя по формуле Umax = 32 * sqrt (L), где L — индуктивность обмоток двигателя в миллигенри(указывается производителем). Желательно, чтобы максимально допустимое напряжение питания драйвера было примерно равно этому значению, или было немного больше.

Если это условие не выполняется, то скорее всего двигатель вращаться будет, но больших скоростей достичь не удастся. Пример:подходит ли драйвер PLD545-G3 для двигателя PL86H151? Ток обмотки двигателя — 4.2 А, ток, выдаваемый драйвером — до 5А, первое условия выполнено.

Индуктивность двигателя — 12 мГн, по формуле получаем Umax = 32 * sqrt(12) = 110 Вольт. Максимальное напряжение питания драйвера — 45 Вольт.

Это означает, что двигатель будет отдавать момент только на низких оборотах, а для получения качественного движения необходимо использовать или драйвер с напряжением питания до 80 Вольт(например, PLD86 или PLD880), или двигатель с меньшей индуктивностью.

Вопрос: У меня перегревается двигатель, что делать?

Ответ: Для начала надо определить, действительно ли двигатель перегревается. Многие воспринимают рабочую температуру двигателя как перегрев, потому что её «не терпит рука», тогда как нагрев в 80 градусов — нормальное явления для шагового двигателя.

Поэтому необходимо замерить реальную температуру. Если она меньше 80 градусов — беспокоиться не стоит. Если больше — первое, что необходимо проверить, это выставленный рабочий ток на драйвере. Он должен соответствовать номинальному току двигателя.

Также можно использовать функцию снижения тока обмоток в режиме удержания. К снижению нагрева приводит также снижение питающего напряжения, однако, и момент тоже снизится.

Если нет возможности жертвовать динамикой двигателя, остается единственный способ — установить на корпус ШД радиатор и/или вентилятор.

Вопрос: Шаговый двигатель постоянно пропускает шаги. Что делать?

Ответ: Пропуск шагов — самая неприятная проблема у шаговых приводов. Причин может быть множество. В порядке убывания распространенности:

•  Некачественный блок управления двигателем. Не стоит недооценивать сложность управления шаговым двигателем. Разница в работе драйвера Leadshine и кустарной поделки — очень велика. Особенно это заметно при работе в области резонанса.
•  Неверные настройки драйвера. Неверно выбранное напряжение питания, ток — могут приводить к пропуску шагов. Проверьте все настройки еще раз.
•  Двигатель перегружен. Нагрузка на двигатель слишком велика. Снизьте скорость или поставьте двигатель побольше.
•  Механическая часть(направляющие, передачи) подклинивает
•  Бракованный двигатель. Прозвоните обмотки, проверьте их сопротивление(должно совпадать с паспортным). Проверьте вращение вала рукой — при разомкнутых обмотках вал отключенного двигателя должен вращаться легко и беззвучно, при замкнутых накоротко вал крутиться не должен.
•  Дребезг на контактах управляющих сигналов STEP/DIR
•  Проблемы с генерацией сигналов STEP/DIR. Это целое отдельное семейство проблем, которое достойно отдельного обсуждения.
•  Иногда за пропуск шагов принимают проскальзывание шестерни на валу или муфты, соединяющей вал двигателя с винтом передачи