- 25 августа 2008 г. в 05:00
- 4016
Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.
Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.
Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала.
Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению.
Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.
Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя.
Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.
В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг.
Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.
Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости.
Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках.
Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.
- В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.
- Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
- Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К).
Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа
В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.
Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT=4, а для несимметричной KT=8.
- В общем случае число тактов KT зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:
- KT = mуn1n2,
- где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;
- n1=2 — при несимметричной системе коммутации;
- n2=1 — при однополярной коммутации;
- n2=2 — при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора.
Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.
Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:
αш=360/Ктр
Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.
Реактивные шаговые двигатели
У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
- Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
- При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
- Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:
- αш=360/КтZр
В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления.
Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д.
Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора.
При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
Линейные шаговые синхронные двигатели
При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.
Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя.
Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.
- ΔXш=tz/Кt
- где Kt — число тактов схемы управления.
- Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора.
Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором.
При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя
Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.
При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла.
Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
- В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
- Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
- Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.
В. П. Колодийчик.
Шаговый двигатель — устройство, принцип работы, область применения
В данной статье мы рассмотрим шаговый двигатель постоянного тока, подробно разберем принцип работы, конструкцию и управление, а так же разберем один из чипов управления.
Использование шаговых двигателей в производстве
Шаговые электродвигателя представляют собой бесколлекторные синхронные импульсные двигатели. Поворот ротора на определенный угол и установка его в заданном положении осуществляется за счет поступающих в возбуждающую обмотку статора управляющих импульсов.
В результате протекания импульсного потока через обмотку меняется ориентация магнитного поля между полюсами статора и создается механическое поворотное усилие. Необходимые угловые перемещения или шаги ротора производятся последовательной активацией обмоток статора.
У шаговых двигателей купить отсутствует пусковая обмотка, т.к. используется частотный пуск, и для осуществления установки ротора в нужную позицию нет необходимости в датчике положения. Отсутствие коллектора повышает надежность и долговечность устройства.
Приборы такого типа применяются в промышленности в качестве исполнительных устройств.
Устройство шагового электродвигателя
Шаговый двигатель, работающий от постоянного тока, умеет делить один полный оборот на большое количество шагов. Устройство состоит из следующих деталей:
- Контроллер специального назначения для шагового привода.
- Клеммы.
- Обмотки.
- Блок управления или приборная модель.
- Магнитная часть.
- Сигнализаторы.
- Передатчики.
Принцип работы шагового электродвигателя
Принцип работы электродвигателя состоит в следующем. На клеммы прибора подается напряжение, после чего щетки двигателя приводятся в постоянное движение. Двигатель на холостом ходу начинает преобразование входящих импульсов прямоугольного направления в положение приложенного вала, имеющего определенную направленность, и перемещает его под некоторым углом.
Максимальная эффективность такого электродвигателя достигается наличием нескольких зубчатых магнитов, сосредоточенных вокруг железного колеса зубчатой формы. Когда к определенному электромагниту прилагается энергия, он начинает притягивать зубья колеса. После их выравнивания по отношению к этому электромагниту, они становятся смещены относительно следующей магнитной части электродвигателя.
Первый магнит отключается, включается второй электромагнит, происходит вращение шестеренки, которая выравнивается с предыдущим колесом. Это циклическое действие происходит необходимое количество раз. Одно выполненное вращение называют шагом электродвигателя.
Принцип работы шаговых двигателей
Представьте себе двухполюсный постоянный магнит на валу двигателя – это ротор, окруженный замкнутым магнитопроводом с четырьмя обмотками — статор. Вернее это две обмотки AB и CD с половинками, расположенными на противоположных полюсах статора.
Подключили к источнику напряжения обмотку AB (полярность + -) как показано на рисунке. Ток в этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с полюсами сверху N, снизу S. Как известно разноименные полюса магнитов притягиваются.
В результате ротор (постоянный магнит) займет положение, в котором оси магнитных полей ротора и работающих полюсов статора совпадают. Механическое положение будет устойчивым.
При попытке сдвинуть ротор, возникнет сила, возвращающая его назад.
Теперь снимем напряжение с обмотки AB и подадим на обмотку CD (полярностью + -). Ток в обмотке CD вызовет магнитное поле с горизонтальными полюсами, слева S, справа N.
Магнитное поле делает все, чтобы магнитный поток замкнулся по минимальному пути. Ротор повернется в положение указанное на рисунке. Механическое положение ротора опять устойчивое. Это был первый шаг двигателя.
В нашем случае он равен одной четвертой оборота.
Отключаем обмотку CD и подаем напряжение опять на обмотку AB, но уже в другой полярности (- +). Опять магнитное поле статора повернется на 90°, а за ним и ротор.
Еще одна коммутация AB — отключаем, CD — подключаем (полярность — +) и ротор совершает еще один шаг на одну четвертую окружности. Следующая коммутация (с которой мы начали) вернет ротор в исходное положение. Мы сделали полный поворот за 4 шага.
Если продолжить переключение фаз, ротор будет вращаться с частотой, пропорциональной частоте переключения фазных обмоток.
Если коммутировать фазы в противоположной последовательности – крутиться в обратном направлении, прекратить коммутацию — остановится.
Биполярные и униполярные шаговые двигатели
Это был биполярный шаговый двигатель. Биполярный двигатель имеет по одной обмотке для каждой фазы. На предыдущих рисунках это обмотки AB и CD. Для изменения магнитного поля должна обеспечиваться сложная коммутация обмоток. Каждая обмотка: • отключается от источника напряжения, • подключается в прямой полярности • подключается с противоположной полярностью.
Для такой коммутации требуется сложный мостовой драйвер. Примером такого устройства является микросхема L298N. Микросхема обеспечивает ток коммутации до 2 А. Если нужны большие токи, то задача управления биполярным двигателем еще усложняется.
Существует другой способ изменения магнитного поля в статоре с гораздо более простой схемой коммутации. Это применение двигателя с униполярными обмотками. Схема двух фазного шагового двигателя с униполярными обмотками и последовательность коммутаций обмоток выглядит так.
У всех четырех обмоток один вывод подключен к плюсовому выводу источника питания. А другие выводы A,B,C,D последовательно коммутируются к минусовому сигналу. Соответствующие обмотки создают магнитное поле, и ротор поворачивается вслед за ним.
Для коммутации обмоток таким способом достаточно четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Ключи часто управляются непосредственно с выводов микроконтроллеров. Иногда средние выводы обмоток конструктивно объединены внутри двигателя, иногда выводятся все выводы отдельно. Кстати, это не повод называть двигатель четырехфазным. Все равно он будет двухфазным.
Биполярный двигатель обеспечивает, при тех же размерах, больший крутящий момент, по сравнению с униполярным. Оно и понятно. Одновременно в униполярном двигателе работает только одна обмотка, вместо двух. Выигрыш в моменте у биполярного составляет около 40%. Зато, если нет необходимости использовать двигатель на полную мощность, униполярным двигателем гораздо проще управлять.
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
Чип управления шаговым двигателем SAA1027
В этом уроке о вращательных приводах, мы рассмотрели шаговый двигатель в качестве электромеханического привода, который может быть использован в качестве устройства вывода для позиционной или скорости управления.
В следующем уроке об устройствах ввода / вывода мы продолжим наш взгляд на устройства вывода, называемые исполнительными механизмами, и в частности те, которые снова преобразуют электрический сигнал в звуковые волны с помощью электромагнетизма.
Преимущества и недостатки
К основным преимуществам шаговых электродвигателей относят их точность. То есть, при попадании напряжения на обмотку, прибор поворачивается на строго определенную величину угла. Еще одним несомненным достоинством можно назвать стоимость агрегата. Ведь если сравнивать их цену с, например, сервоприводами, то они стоят в 2 раза дешевле.
Основной недостаток шагового электропривода — возможное проскальзывание ротора. Причин может быть несколько:
- Слишком высокая нагрузка на валу.
- Неправильные настройки программы управления.
- Скорость вращения приближается к резонансным показателям.
Решение этих проблем возможно, если использовать датчики поворота. Но автоматически эта проблема решается не всегда. В некоторых случаях задача выполнима только после остановки производственной программы. Проблема проскальзывания электродвигателя решается также путем увеличения его мощности.
Это интересно: АСКУЭ — устройство, принцип работы, порядок монтажа
Реактивный шаговый двигатель
Реактивный шаговый двигатель — синхронный реактивный двигатель.
Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор — четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам.
В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.
Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)
Шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003 — 26 Ноября 2019 — Студия DIY
Технические параметры 28BYJ-48
| Тип мотора | Униполярный шаговый двигатель |
| Число фаз | 4 |
| Подключение | 5-выводов (к контроллеру двигателя) |
| Рабочее напряжение | 5-12 вольт |
| Частота | 100 Гц |
| Сопротивление по постоянному току | 50 Ом ± 7%(25°C) |
| Частота под нагрузкой | > 600 Гц |
| Частота на холостом ходу | > 1000 Гц |
| Крутящий момент | > 34.3 мН*м (120 Гц) |
| Момент самопозиционирования | > 34.3 мН*м |
| Стопорящий момент | 600-1200 г*см |
| Тяга | 300 г*см |
| Сопротивление изоляции | > 10 МОм (500 В) |
| Класс изоляции | A |
| Шум | < 35 дБ (120 Гц, без нагрузки, 10 см) |
| Режим шага | Рекомендован полушаговый режим (8-шаговая управляющая сигнальная последовательность) |
| Угол шага | Полушаговый режим: 8-шаговая управляющая сигнальная последовательность (рекомендовано). 5.625 градусов на шаг, 64 шага на оборот внутреннего вала мотора. Режим полного шага: 4-шаговая управляющая сигнальная последовательность. 11.25º/шаг, 32 шага на оборот внутреннего вала двигателя. |
| Передаточное отношение редуктора | Производителем заявлено 64:1. Однако, некоторые пытливые товарищи с форума Arduino разобрали редуктор и определили, что, в действительности передаточное число равно 63.68395:1. Это означает, что в рекомендованном полушаговом режиме мы имеем: 64 шага на оборот мотора помноженное на передаточное число 63.684 ≈ 4076 шагов на полный оборот. |
| Подключение к контроллеру ULN2003 | A (синий), B (розовый), C (желтый), D (Оранжевый), E (красный, средний вывод обмоток) |
| Вес | 30г |
Описание
Четырех фазный шаговый двигатель (28BYJ-48) — это бесколлекторный двигатель, вращение вала осуществляется шагами (дискретное перемещение).
На роторе (валу), расположен магнит, а вокруг него расположены катушки, если поочередно подавать ток на эти катушки, создается магнитное поле, которое отталкивает или притягивает магнитный вал, тем самым заставляя двигатель вращаться.
Такая конструкция позволяет с большой точностью управлять валом, относительно катушек. Принципиальная схема четырехфазного шагового двигателя 28BYJ-48 приведена ниже.
в двигателе содержится две обмотки, которые в свою очередь разделены на четыре, из-за этого и название 4-х фазный. Центральные отводы катушек подключены вместе и служат для питания двигателя, так-как каждая обмотка подключена к питанию, такие двигатели называют униполярный.
На валу 28BYJ-48 расположено 8 магнитов, с чередующими полюсами (то есть, четыре магнита с двумя полюсами). Внутри расположен редуктор, с примерным передаточным числом в 1:63,68395. Это означает, что двигатель за один оборот осуществляет 4075.7728395 шага.
Данный двигатель поддерживает полушаговый режим и за один полный оборот может совершать 4076 шага, а точнее за 1° делает примерно 11,32 шага. (4076 / 360 = 11,32).
Режим работы:
Чаще всего, при использовании шагового двигателя 28BYJ 48, используют два режима подключения.
► Полношаговый режим — за 1 такт, ротор делает 1 шаг.
► Полушаговый режим — за 1 такт, ротор делает ½ шага.
Когда используется полношаговый метод управления, две из четырех обмоток запитываются на каждом шаге. Идущая вместе с Arduino IDE библиотека Stepper использует такой способ.
В техническом руководстве к 28BYJ-48 сказано, что предпочтительным является использование метода полушага, при котором сначала запитывается только 1 обмотка, затем вместе первая и вторая обмотки, затем только вторая обмотка и так далее.
С 4 обмотками это дает 8 различных сигналов, как показано в таблице ниже.
Модуль шагового двигателя ULN2003:
Цифровой вывод микроконтроллера может выдать ток ~40 мА, а одна обмотка 28BYJ-48 в пике потребляем ~320 мА, следовательно если подключить двигатель напрямую, микроконтроллер сгорит.
Для защиты был разработан «Модуль шагового двигателя ULN2003″, в котором используется микросхема ULN2003A (по сути, состоящая из 7 ключей), позволяющая управлять нагрузкой до 500 мА (один ключ).
Данный модуль может работать с 5В и 12В двигателем 28BYJ-48, для переключения необходимо установить или убрать перемычку (по умолчанию перемычка установлена, питание 5В).
- Принципиальную схему модуля ULN2003 можно посмотреть на рисунке ниже
Назначение X1
► IN1 . . . IN7: Вход 1 … 7
- Назначение X2
► 1 — GND: «-» питание модуля
► 2 — Vcc: «+» питание модуля (5В или 12В)
► 3 — Vcc: «+» питание модуля (перемычка, только при 5В) - ► 4 — Vcc: «+» питание модуля (перемычка, только при 5В)
- Назначение X3
► A: Выход 1
► B: Выход 2
► C: Выход 3
► D: Выход 4
► E: Выход 5
► F: Выход 6 - ► G: Выход 7
- Назначение X3
► 1 — Питание
► 2 — A
► 3 — B
► 4 — C - ► 5 — D
- Внешний вид платы модуля
- Помимо самой микросхемы ULN2003AN, на плате имеется пятиконтактный разъем для подключения к шаговику и четыре светодиода, показывающих, какая из обмоток запитана в текущий момент времени.
Также сбоку расположен джампер (два вывода под четырьмя резисторами), установка которого позволяет подавать питание на шаговый двигатель.
Замечу, что питать мотор от 5 В Arduino не рекомендуется, так как мотор может потреблять ток, превышающий возможности Arduino. Лучше использовать внешний 5-12 В источник питания, выдающий ток не менее 1 А.
Четыре управляющих входа помечены как IN1-IN4 и должны быть подключены к четырем цифровым выводам Arduino.
Подключите выводы IN1, IN2, IN3 и IN4 к пинам 3, 4, 5 и 6 Arduino Uno. Положительный контакт источника питания необходимо подключить к выводу, помеченному как «+», а землю источника питания к выводу «-» на плате контроллера. Если для питания Arduino и мотора используются различные источники питания, то необходимо объединить выводы «земля» источников вместе.
Подключение:
В данном примере буду использовать модуль ULN2003, Arduino UNO R3 и двигатель 28BYJ-48-5V.
Схема не сложная, необходимо всего шесть провода, сначала подключаем интерфейсные провода, IN1 (ULN2003) в 11 (Arduino UNO), IN2 (ULN2003) в 10 (Arduino UNO), IN3 (ULN2003) в 9 (Arduino UNO) и IN4 (ULN2003) в 8 (Arduino UNO), осталось подключить питание GND к GND и VCC к VIN (не для постоянного использовании), подключаем разъем двигателя в модуль ULN2003.
Стандартная библиотека Stepper, идущая с Arduino IDE, поддерживает только полношаговый метод управления и имеет сильно ограниченные возможности. Использовать ее можно только в очень простых приложениях, в которых используется только один мотор. Применение библиотеки Stepper для управления 28BYJ-48 является не самым эффективным решением.
Библиотека CustomStepper
Для вращения двигателя по часовой и против часовой стрелки, используем библиотеку «CustomStepper«. Данная библиотека не входит в стандартную среду разработки Arduino IDE, так что скачиваем и добавляем ее.
- #include // Подключаем библиотеку CustomStepper
- CustomStepper stepper(8, 9, 10, 11); // Указываем пины, к которым подключен драйвер шагового двигателя
- boolean rotate1 = false; // Переменная для смены режимов
- boolean rotatedeg = false; // Переменная для смены режимов
- boolean crotate = false; // Переменная для смены режимов
- void setup()
- {
- stepper.setRPM(12); // Устанавливаем количество оборотов в минуту
stepper.setSPR(4075.7728395); // Устанавливаем колочество шагов на полный оборот. Максимальное значение 4075.7728395
- }
- void loop()
- {
- if (stepper.isDone() && rotate1 == false)
- {
- stepper.setDirection(CCW); // Устанавливает направление вращения (по часовой)
- stepper.rotate(2); // Устанавливает вращение на заданное количество оборотов
- rotate1 = true;
- }
- if (stepper.isDone() && rotate1 == true && rotatedeg == false)
- {
- stepper.setDirection(CW); // Устанавливает направление вращения (против часовой)
- stepper.rotateDegrees(90); // Поворачивает вал на заданное кол-во градусов
- rotatedeg = true;
- }
- if (stepper.isDone() && rotatedeg == true && crotate == false)
- {
- stepper.setDirection(CCW); // Устанавливает направление вращения (по часовой)
- stepper.rotate(); // Будет вращать пока не получит команду о смене направления или STOP
- crotate = true;
- }
stepper.run(); // Этот метод обязателен в блоке loop. Он инициирует работу двигателя, когда это необходимо
}
Скачать библиотеку можно здесь
Библиотека AccelStepper
Эта библиотека очень хорошо работает совместно с шаговым мотором 28BYJ-48 (мотор почти не греется), а также поддерживает ускорение, что позволяет заставить мотор вращаться быстрее. Библиотека использует код, не блокирующий шаги и включает немало других приятных особенностей.
- Объектно-ориентированный интерфейс для 2, 3 или 4-выводных шаговых двигателей
- Поддержка ускорения и замедления
- Поддержка одновременно нескольких шаговых двигателей с независимой работой для каждого мотора
- Функции API не используют функцию delay и не прерывают работу
- Поддержка контроллеров шаговых двигателей таких как Sparkfun EasyDriver (основанных на микросхеме драйвера 3967)
- Поддержка низких скоростей
- Расширяемый API
- Поддержка подклассов
- Представленный ниже код медленно ускоряет мотор 28BYJ-28 в одном направлении, затем замедляется до остановки и вновь ускоряется, но уже вращаясь в противоположном направлении.
- #include
- #define HALFSTEP 8
- // Определение пинов для управления двигателем
- #define motorPin1 3 // IN1 на 1-м драйвере ULN2003
- #define motorPin2 4 // IN2 на 1-м драйвере ULN2003
- #define motorPin3 5 // IN3 на 1-м драйвере ULN2003
- #define motorPin4 6 // IN4 на 1-м драйвере ULN2003
- // Инициализируемся с последовательностью выводов IN1-IN3-IN2-IN4
- // для использования AccelStepper с 28BYJ-48
- AccelStepper stepper1(HALFSTEP, motorPin1, motorPin3, motorPin2, motorPin4);
- void setup(){
stepper1.setMaxSpeed(1000.0);
stepper1.setAcceleration(100.0);
- stepper1.setSpeed(200);
- stepper1.moveTo(20000);
- }
- void loop(){
- // Изменяем направление, если шаговик достигает заданного положения
- if(stepper1.distanceToGo()==0)
stepper1.moveTo(-stepper1.currentPosition());
- stepper1.run();
- }
- Скачать библиотеку можно здесь
- Переделка 28BYJ-48 из униполярного в биполярный
Интересное заключается в том, вместо 380 гр./см при униполярном подключении, можно получить крутящий момент 800 гр./см при биполярном включении.
У униполярного двигателя в один момент времени никогда не будут задействованы все четыре провода, только два из них. Но если был бы способ заставить ток течь по всем обмоткам, то это бы увеличило мощность мотора.
В биполярных моделях имеются всего лишь две обмотки вместо четырех. И обе обмотки могут быть активны все время, но их полярность переключается за четыре шага. Это значит, что такие моторы содержат всего четыре провода вместо пяти, шести или восьми.
Более подробно переделка описана в дополнительных материалах
Драйвер биполярного двигателя отличается от униполярного , теперь например, подойдет драйвер с микросхемой L293D или SN754410.
, datasheet
Как работает шаговый двигатель?
Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока, который преобразует электрические импульсы в механическое движение. Каждый импульс — это поворот Ротора (подвижной части двигателя) на небольшой угол (шаг). Например, если шаговый двигатель имеет 200 шагов на оборот, то после подачи 50 импульсов он сделает четверть оборота. Частота и последовательность влияют на направление вращения и его скорость.
Вступление
Шаговые двигатели часто используются в устройствах, требующих высокой точности. Вы можете найти их в фрезерных станках с ЧПУ, 3D принтерах, роботах на заводах, сканерах или приводах CD/DVD. Шаговики — действительно хорошие и удобные устройства, которые обязательно найдут место во многих ваших проектах.
Что такое шаговый двигатель?
Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока. Как уже упоминалось выше, он приводится в действие электрическими импульсами, которые преобразуются во вращательное движение. Вращение не такое плавное, как у классических двигателей постоянного тока.
Полный поворот на 360 градусов состоит из определенного (в зависимости от конструкции) количества шагов. Это позволяет валу вращаться точно без какой-либо обратной связи. Так что специальная плата управления ему не нужна. В мире хобби наиболее популярны шаговые двигатели с 200 шагами на 360°.
Это означает, что вал (ротор) будет поворачиваться на 1,8° каждый раз, когда мы даем импульс (360° / 200 = 1,8°).
Направление вращения и его скорость зависят от последовательности и частоты импульсов.
Как устроен шаговый двигатель?
Шаговый двигатель, как классический двигатель постоянного тока, состоит из Ротора и Статора . Статор — неподвижная часть, а ротор, установленный на двух подшипниках, вращается с помощью магнитного поля.
Статор — изготовленный из стали или другого металла, выступает в виде рамы для поддержки электромагнитов, которые представляют собой катушки, установленные в определенных местах вокруг ротора. Когда через катушки протекает ток, вокруг них создается магнитное поле.
Отдельные магнитные поля имеют направление и интенсивность в зависимости от силы и направления тока, протекающего через данную катушку.
Типы шаговых двигателей
Шаговые двигатели можно разделить по типу конструкции статора и ротора, которая влияет на то, как импульсы преобразуются в движение и по типу способа подключения катушек.
По конструкции:
- Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
- Шаговый двигатель с постоянным магнитом
- Гибридный шаговый двигатель
По способу подключения обмоток:
- Униполярный шаговый
- Биполярный шаговый
Каждый тип работает по-своему, поэтому описать работу таких двигателей стоит отдельно.
Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением
Двигатели этого типа не имеют хороших параметров и были вытеснены из промышленности шаговыми двигателями других типов, но опишем его для понимания общего принципа работы.
Сопротивление в шаговом двигателе понимается как магнитное сопротивление. Если мы поместим проводник в магнитное поле электромагнита, он будет притягиваться. Чем ближе он подойдет, тем меньше будет сопротивление.
На рисунке показан пример шагового двигателя с переменным сопротивлением с четырьмя катушками. Они намотаны попарно и на противоположных сторонах статора. Это дает нам восемь полюсов.
Ротор сделан из проводника, а количество выступов (плечей) зависит от количества катушек.
Когда соответствующая пара катушек запитана, самые близкие плечи ротора притягиваются к ним больше всего. Таким образом, будет сделан один шаг. В этом случае расчет угла поворота для одного шага будет следующим:
6 плеч ротора × 4 катушки статора = 24 шага
полный оборот 360° / 24 шага = 15° — за шаг для данного шагового двигателя
Чтобы удвоить количество шагов, мы будем использовать Половину шага вместо Полного шага.
Для этого нужно изменить последовательность включения катушек.
В предыдущем случае использовалась только одна пара катушек за раз. На этот раз мы используется две соседние дополнительные пары, чтобы сделать промежуточный шаг. Теперь у нас есть 8 комбинаций (а не 4) катушек с питанием.
Это означает, что мы удвоили разрешение до 48 шагов и 7.5° для одного шага.
6 плеч ротора × 8 катушек статора = 48 шагов
полный оборот 360° / 48 шагов = 7.5° — за шаг для данного шагового двигателя
Возможно еще больше увеличить разрешение. Для этого нам нужно иметь возможность регулировать ток таким образом, чтобы протекающий через катушки был вдвое меньше. Благодаря этому мы удваиваем количество возможных состояний по сравнению с методом Половины шага. Теперь мы имеем 96 шагов и 3,25° на один шаг.
6 плеч ротора × 8 катушки статора × 2 состояния силы тока = 96 шагов
полный оборот 360° / 96 шагов = 3.25° — за шаг для данного шагового двигателя
Таким образом, мы можем все больше и больше увеличивать разрешение. К сожалению, помимо очевидных преимуществ такого метода, у него есть и большие недостатки.
Чем больше количество микрошагов, тем чаще переключаются катушки и, следовательно, меньше крутящий момент.
Упомянутые методы управления (Полный, Половина и Микро), применяются для шагового двигателя с переменным сопротивлением. Однако они могут также применяться для любого последующего типа двигателей.
Шаговый двигатель с постоянным магнитом
Шаговый двигатель с постоянным магнитом работает за счет взаимодействия полюсов магнитов. Разные полюса (S — юг — N — север) притягиваются друг к другу, а одинаковые (S — S и N — N) отталкиваются.
В результате шаговые двигатели этого типа имеют гораздо больший крутящий момент. В отличие от шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, двигатель с постоянным магнитом не имеет плеч на роторе. Он построен как бы из нескольких магнитов, попеременно и радиально намагниченных.
Разрешение двигателя зависит от количества таких магнитов. Однако чем больше этих магнитов, тем они меньше по размеру и поэтому они меньше взаимодействуют с электромагнитами в статоре. В результате двигатель имеет меньший крутящий момент.
В следующем простом примере показан ротор с шестью магнитными полюсами.
С двумя полюсами электромагнитов это дает 12 полных шагов на оборот. Чаще всего встречаются двигатели имеющие 24 или даже 48 шагов.
Гибридный шаговый двигатель
Гибридные шаговые двигатели в настоящее время являются наиболее популярным типом, особенно в промышленности. Они сочетают в себе преимущества двигателей с постоянным магнитом и двигателей с переменным сопротивлением.
Благодаря этому у них лучшие параметры, такие как крутящий момент и разрешение. Разрешение типичного гибридного шагового двигателя составляет от 0.9° до 3.
6°, что дает от 100 до 400 полных шагов на оборот, а помимо этого к ним также можно применять Микро шаг.
Ротор выполнен из постоянных магнитов, однако, в отличие от двигателя, описанного выше, магниты расположены аксиально, а не радиально. Кроме того, как вы можете видеть на картинке, ротор разделен на два (иногда четыре) кольца. У каждого из них маленькие зубцы. Чем их больше, тем выше разрешение.
Зубья на обоих концах (кольцах) ротора смещены на ползуба. У статора тоже есть зубцы, но они на одной прямой. Благодаря этому, когда зубцы одного кольца имеют разные полюса и притягиваются друг к другу, зубцы второго кольца (имеющего тот же полюс, что и катушка) будут точно посередине.
Это улучшает характеристики двигателя и увеличивает его крутящий момент.
Ротор шагового двигателя
Статор шагового двигателя
Статор такого двигателя обычно имеет две катушки и восемь полюсов. После подачи питания на одну катушку два противоположных полюса будут Северными, а два — Южными .
Затем ротор будет вращаться, чтобы выровнять свои намагниченные зубья с полюсами (S и N) статора.
Поскольку ротор имеет два кольца с разными полюсами, на каждом шаге он «удерживается» четырьмя катушками, что увеличивает его крутящий момент.
На этом конкретном шаговом двигателе ротор имеет 50 зубцов, и требуется ровно 4 шага, чтобы повернуть его на одну ступеньку. Таким образом, легко подсчитать, что ротору нужно 200 шагов, чтобы совершить оборот. Что составляет 1,8 ° на полный шаг.
Униполярные и биполярные шаговые двигатели
Термин униполярный или биполярный шаговый двигатель не совсем точен. Это относится не ко всему двигателю, а только к обмотке его катушек.
Хотя на практике очень часто можно четко определить, является ли данный шаговый двигатель однополярным или биполярным. Но вы также можете встретить шаговый двигатель, который может быть как «биполярным», так и «униполярным».
Поэтому далее предположим, что речь идет о методе шагового управления, а не о его типе.
Биполярные шаговые двигатели имеют четыре провода. Они работают с двумя полностью изолированными друг от друга обмотками.
Эти шаговые двигатели довольно сложно контролировать, поскольку, чтобы перевернуть магнитный полюс, нужно изменить направление тока в обмотке. И это делается с помощью двух H-мостов (восемь транзисторов).
Мы можем использовать всю длину катушки в каждой фазе, что приводит к высокому крутящему моменту.
У униполярных шаговых двигателей пять проводов. Они работают с одной обмоткой с центральным отводом на фазу. Общий провод (COM) постоянно заземлен (чаще всего).
Мы можем перевернуть магнитное поле, подключив разъемы A или A' (B или B').
Благодаря такой конструкции для управления этим двигателем достаточно четырех транзисторов (а не восьми, как в биполярных шаговых двигателях).
Но поскольку мы можем использовать только половину катушки в каждой фазе, эти шаговые двигатели имеют относительно низкий крутящий момент.
Этот тип шаговых двигателей имеет шесть проводов. Как вы можете видеть на картинке, это комбинация униполярных и биполярных двигателей. Он имеет две обмотки, отделенные друг от друга, но они разделены пополам и выведены в виде двух дополнительных проводов. Это решение позволяет управлять обоими способами. В этом случае вы определяете больший крутящий момент или более простое управление.
Что нужно учитывать при выборе шагового двигателя?
Недостатки
- скорость шаговых двигателей не очень высокая от единиц до десятка оборотов в секунду
- по мере увеличения скорости его удерживающий момент (Нм) уменьшается
- относительно высокое энергопотребление
- высокая теплоотдача
- если нагрузка слишком высока, могут произойти пропуски шагов
Преимущества
- высокая точность позиционирования, но без обратной связи
- простота управления — количество импульсов определяет положение вала, а частота определяет скорость
- возможность работы на малых оборотах (без использования редукторов)
- срок службы шаговых двигателей довольно большой, благодаря отсутствию фрикционных элементов
Загрузка...
