Как работает шаговый двигатель: Шаговые двигатели: что это такое, где применяются, устройство и принцип работы, типы и их конструктивные особенности, драйвер ШД, подключение и управление

виды, плюсы, минусы, альтернативы — MULTICUT

Одно из главных отличий современного станка с ЧПУ от «классических» моделей с ручным управлением – отсутствие кинематической связи между механизмами, отвечающими за перемещение рабочих органов и вращение шпинделя. Раздельный привод позволяет отказаться от использования многоступенчатых коробок передач, механических делительных головок, доверить сложные расчеты компьютеру. Но чтобы перемещения были точными, а станок всегда понимал, в какой точке находится режущий инструмент в текущий момент времени, привод должен иметь вполне определенные параметры. В механизмах станка с ЧПУ лучше всего с этими задачами справляются шаговые двигатели: компактные «послушные» в управлении и сравнительно недорогие.

В этой статье мы расскажем о работе этих устройств, постараемся найти их недостатки и подобрать альтернативные варианты.

Как работает шаговый двигатель?

Наиболее важная конструктивная особенность шагового двигателя – явно выраженные магнитные полюса. На статоре их роль играют сердечники обмоток. Ротор выглядит как зубчатое колесо: выступы на его поверхности – это тоже полюса (постоянных магнитов). Благодаря такой конструкции шаговый двигатель способен совершать дискретные угловые перемещения с остановкой в определенном положении. Связанный с ним через передачу винт-гайка узел станка совершает заданное линейное перемещение.

Управляющий сигнал для шагового двигателя представляет собой последовательность импульсов. Их количество кратно числу шагов, которые совершает ротор. Система управления станка знает, сколько импульсов было послано на двигатель, и может посчитать текущее положение исполнительного механизма.

Достоинства и недостатки

У шаговых двигателей обширный перечень преимуществ. Самые важные из них:

  • Доступная стоимость. Такие приводы применяются не только в промышленных станках, но и в бытовой технике. Например, на маломощные самодельные станки часто устанавливают шаговые двигатели, снятые с принтеров.
  • Надежность. Благодаря отсутствию щеток и применению подшипников с избыточным рабочим ресурсом вывести из строя шаговый двигатель достаточно сложно. Перегрузки приводят к пропуску шагов, но не повреждают двигатель.
  • Высокая скорость отклика на управляющий сигнал. Старт, торможение и реверсирование происходят практически мгновенно из-за того, что максимальный момент двигатель развивает при скоростях, близких к нулю.

Есть у таких приводов и недостатки:

  • На обмотках двигателя всегда есть напряжение, то есть он постоянно потребляет энергию.
  • Крутящий момент зависит от частоты вращения, и на высоких скоростях он значительно падает.
  • Эффект резонанса — падение момента на некоторых частотах вращения. При чем резонансная частота непостоянна и зависит от величины нагрузки.
  • При пропуске шагов система ЧПУ не сможет правильно определить положение исполнительного механизма, если шаговый привод работает без обратной связи.

Типы шаговых приводов

Существует два типа шаговых приводов:

  • Униполярные. Обмотки статора имеют от 5 до 8 выводов. Двигатель включается в работу посредством их коммутации при помощи простейшего драйвера с четырьмя ключами.
  • Биполярные. В таком моторе всего 4 вывода, и для изменения параметров магнитного поля им нужна более сложная система управления.

Биполярные двигатели развивают большие моменты на валу, чем униполярные, при сравнимых массово-габаритных характеристиках, поэтому их в станках с ЧПУ можно увидеть значительно чаще.

Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ станка?

Самостоятельный выбор шагового двигателя для ЧПУ станка привода — работа сложная и требующая точных расчетов. Он должен преодолеть силу трения в ШВП или передаче винт-гайка, инерцию портала и рабочую нагрузку, которая зависит от свойств обрабатываемой детали и режима резания. Также нужно учесть геометрические параметры присоединительного фланца, вала и корпуса. Важный момент – анализ графика зависимости крутящего момента от частоты вращения. Именно здесь ошибки приводят к пропуску шагов.

Тем, кто все же решился собрать станок самостоятельно, мы рекомендуем посмотреть характеристики приводов готовых моделей, близких по размерам и поставленным задачам.

Альтернативные варианты

Единственный конкурент шагового двигателя в ЧПУ станке — сервомотор. Его установка требует реализации более сложной схемы управления с обратной связью (энкодером). Есть у него и другие недостатки. Выбор между сервоприводом и шаговым двигателем для ЧПУ станка вызывает много вопросов у начинающих станочников и споров на форумах. Чтобы определить оптимальный состав привода, нужно учесть следующие факторы:

  1. Стоимость. При жестких ограничениях в бюджете широкий выбор отсутствует в принципе, и считается, что шаговый двигатель значительно дешевле сервомотора. Но это справедливо для устройств небольших типоразмеров. Чем больше мощность, тем меньше разница в цене, а у некоторых крупных моделей стоимость моторов обоих типов сопоставима.
  2. Массово-габаритные характеристики станка. Чем больше станок, тем большая мощность нужна для перемещения рабочих органов. Склонность к резонансным явлениям сильнее проявляется у мощных шаговых двигателей, что может привести к пропуску шагов и снижению точности обработки. Для фрезерных станков с ЧПУ рекомендуется выбирать серводвигатели, если масса портала превышает 50 кг.
  3. Сложность настройки. Схемы приводов с обратной связью требуют точной наладки и высокой квалификации оператора. Если требуется самое простое решение, оптимальным выбором для станка с ЧПУ будет шаговый двигатель.
  4. Вероятность перегрузок и заклинивания. Считается, что при заклинивании серводвигатель обязательно выйдет из строя. Это не совсем так. Если станок настроен правильно, драйвер не пошлет сигнал на повторную отработку перемещения, выполнение программы прекратится, и стойка перейдет в режим ожидания до вмешательства оператора или наладчика. Шаговые двигатели при перегрузке могут пропустить несколько шагов. Из-за отсутствия обратной связи СЧПУ не узнает об этом и продолжит отсчитывать шаги дальше. Пропуск нескольких шагов при кратковременном заклинивании – это бракованная деталь на выходе. Потеря шагов также возможна при внешних вибрационных воздействиях и ударах.
  5. Скорость перемещения. В массивных ЧПУ станках с шаговыми двигателями скорость движения портала обычно не превышает 9 м/мин. Если материал заготовки и режущий инструмент позволяют назначить режим обработки на более высоких скоростях, то мотор будет «узким местом», ограничивающим производительность. Тот же портал с приводом от серводвигателя аналогичного типоразмера сможет развить скорость до 60 м/мин.
  6. Рабочие ускорения. Чрезмерный разгон шагового двигателя неизбежно приведет к пропуску шагов. Если предполагается работа на высоких ускорениях, лучше выбрать сервомотор.
  7. Нагрузка на передачу в момент остановки. В тяжелых станках с ЧПУ шаговые двигатели часто устанавливают на механизмы вертикального перемещения шпинделя. Ротор затормаживается магнитными силами после остановки. Сервопривод в остановленном положении совершает колебания, что очень нежелательно. Шаговый двигатель хорошо ведет себя в механизмах поворота заготовки (4-ой оси), кода требуется удерживать ее в стационарном положении.

Какие двигатели применяются в станках MULTICUT?

Надежность конструкции – основной критерий, по которому инженеры компании MULTICUT оценивают комплектующие для станков от сторонних производителей. В выборе двигателей для механизмов перемещения не допускаются компромиссы в качестве.

По умолчанию на все станки устанавливаются шаговые приводы MIGE и контроллеры YAKO. Базовая комплектация выбрана исходя из пожеланий заказчиков и анализа оборудования конкурентов. Приводы демонстрируют высокие крутящие моменты и динамику. Станок стабильно работает на ускорениях до 1,5 м/с

2. Двигатели работают в микрошаговом режиме с точностью 300 шагов на оборот. В сочетании с редуктором с передаточным отношением 5 аппаратная точность позиционирования составляет 6 мкм. «Шаговость» никак не отражается даже на самых мелких деталях.

В качестве опции заказчику предлагаются сервоприводы DELTA серии ASDA-B2. Эти двигатели отличаются отличной управляемостью: положение, момент и скорость могут регулироваться сигналом задания. По динамическим характеристикам эти моторы значительно превосходят более дорогие аналоги. Разгон от -3000 до + 3000 оборотов в минуту на холстом перемещении составляет около 10 мс. В тех моделях, которые мы устанавливаем на станки, есть тормозной резистор. В энкодер с разрешением 160000 импульсов на оборот встроен цифровой модуль управления, который позволяет оперативно выполнить конфигурирование мотора.

Если станок рассчитан на работу в высоконагруженных режимах, от него требуется хорошая производительность, то мы рекомендуем выбирать сервоприводы ESTUN. Интеллектуальные силовые модули промышленного класса, используемые в конструкции двигателей, позволяют им выдерживать перегрузки по току, развивать высокие моменты во время пуска. Производитель реализовал функцию подавления вибрации, сделал настройку простой и удобной, а двигатель — отзывчивым и точным в работе.

На настольные станки 500-й серии мы устанавливаем привода мощностью 200 Вт (на каждую ось). В базовой комплектации крупногабаритных моделей мощность шаговых двигателей составляет 400 Вт. Для всех серий станков в сервоисполнении мы предлагаем моторы мощностью 0,75 и 1 кВт.

Чтобы получить консультации по вопросам выбора и комплектации станков MULTICUT, позвоните по контактному телефону в вашем регионе.

В этом посте мы узнаем о шаговом двигателе. Мы будем изучать, 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 — это 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 скорость. Это конструкция с открытым контуром, что означает отсутствие механизма обратной связи для отслеживания вращения.


Он может изменять свою скорость, менять 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 (количество зубов) = 1,8 градуса


Итак, каждый шаг будет 1,8 градуса. Шаговые двигатели управляются микроконтроллерами и схемой драйвера. Он широко используется в лазерных принтерах, 3D-принтерах, оптических приводах, робототехнике и т. Д.

Основной рабочий механизм:

Шаговый двигатель может состоять из нескольких полюсов, намотанных изолированным медным проводом, называемым статором или неподвижной частью двигателя. Подвижная часть двигателя называется ротором, который состоит из нескольких зубцов.

Когда один полюс находится под напряжением, ближайшие зубцы будут совмещены с этим полюсом, находящимся под напряжением, а другой зубец на роторе будет немного смещен или не совмещен с другими полюсами без напряжения.

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

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

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

Обычно зубья ротора представляют собой магниты, расположенные попеременно с северным и южным полюсами. Подобно тому, как полюса отталкиваются и в отличие от притяжения полюсов, теперь обмотка полюса «A» находится под напряжением и принимает под напряжением полюс как северный полюс, а ротор как южный полюс, это притягивает южный полюс ротора к полюсу статора «A», как показано на рисунке.

Теперь полюс A обесточен, а на полюс «B» подано напряжение, теперь южный полюс ротора будет совмещен с полюсом «B». Аналогичные полюс «C» и полюс «D» будут включать и отключать питание одинаковым образом, чтобы завершить один оборот.

К настоящему времени вы должны понять, как работает механизм шагового двигателя.

Типы шагового двигателя:

Есть три типа шаговых двигателей:

• Шаговый двигатель с постоянным магнитом
• Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением
• Гибридный синхронный шаговый двигатель

Шаговый двигатель с постоянным магнитом:

В шаговых двигателях с постоянными магнитами в роторе используются зубья постоянного магнита, которые расположены с чередованием полюсов (Север-Юг-Север-Юг ……), что обеспечивает больший крутящий момент.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением:

В шаговом двигателе с переменным сопротивлением в качестве ротора используется мягкий железный материал с несколькими зубьями, и он работает по принципу, согласно которому минимальное сопротивление возникает при минимальном зазоре, что означает, что ближайшие зубцы ротора притягиваются к полюсу, когда он находится под напряжением, как притягивается металл. к магниту.

Гибридный синхронный шаговый двигатель:

В гибридном шаговом двигателе оба вышеупомянутых метода объединены для получения максимального крутящего момента. Это наиболее распространенный тип шаговых двигателей, а также дорогостоящий метод.
Пошаговые режимы:

Есть 3 типа пошаговых режимов

• Полный пошаговый режим
• Полушаговый режим
• Микрошаговый режим

Полный пошаговый режим:

Полношаговый режим можно понять на следующем примере: если у шагового двигателя 200 зубцов, то один полный шаг составляет 1,8 градуса (который указан в начале статьи), он не будет вращаться меньше или больше, чем на 1,8 градуса.

Полный шаг подразделяется на два типа:

• Однофазный режим
• Двухфазный режим

В обоих фазовых режимах ротор делает один полный шаг, основная разница между этими двумя режимами заключается в том, что в одном режиме крутящий момент меньше, а в двухфазном режиме больше крутящий момент.

• Однофазный режим:

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

• Двухфазный режим:

В двухфазном режиме на две фазы (две группы обмоток / полюсов) подается питание в заданное время, что создает больший крутящий момент (от 30% до 40%), чем в однофазном режиме.

Полушаговый режим:

Полушаговый режим предназначен для удвоения разрешения двигателя. Полушаг, как следует из названия, занимает половину одного полного шага, вместо полных 1,8 градуса, полушага занимает 0,9 градуса.
Полушаг достигается за счет попеременного изменения однофазного режима и двухфазного режима. Это снижает нагрузку на механические части и увеличивает плавность вращения. Полушаг снижает крутящий момент примерно на 15%. Но крутящий момент можно увеличить, увеличив ток, подаваемый на двигатель.

Микрошаговый:

Микрошаговый режим сделан для максимально плавного вращения. Один полный шаг делится на 256 шагов. Для микрошага нужен специальный контроллер микрошага. Его крутящий момент составляет примерно 30%.

Драйверы должны вводить синусоидальную волну для вращения жидкости. Драйверы дают два синусоидальных входа с фазой на 90 градусов.

Это дает лучший контроль над вращением и значительно снижает механическое напряжение и снижает рабочий шум.

Об основных преимуществах и недостатках шагового двигателя можно узнать из следующих пунктов:

Преимущества:

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

Недостатки:

• Энергия потребляется даже при отсутствии вращения, это делается для фиксации ротора в фиксированном положении.
• Нет механизма обратной связи для исправления ошибок вращения и отслеживания текущего положения.
• Требуется сложная схема драйвера.
• Крутящий момент уменьшается при более высокой скорости.
• Управлять двигателем на более высокой скорости непросто.

Previous: Величайшие мифы о светодиодном освещении Далее: Расчет времени заряда / разряда конденсатора с использованием постоянной RC

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Двигатели постоянного тока нашли множество применений, но непрерывное и плавное вращение ротора не всегда требуется. Естественная особенность двигателя BLDC, заключающаяся в том, что для его вращения необходимо постоянно переключать напряжения между обмотками, способствовала развитию шаговых двигателей. Их ротор может вращаться с определенными приращениями и оставаться стабильным в этих состояниях даже если управление прерывается. Возобновление подачи напряжения на катушки вызывает продолжение вращения.

Шаговые двигатели не имеют коммутаторов и щеток. Это синхронные двигатели постоянного тока с электронно-коммутируемым магнитным полем, вызывающим вращение якоря (его магнитов). Можно считать, что шаговые двигатели управляются цифровыми импульсами, и в шаговом двигателе полный угол поворота ротора разделен на дискретное количество шагов. Количество этих ступеней (фаз) равно количеству магнитов, расположенных вокруг центрального сердечника.

Конструкция шагового двигателя

Теория работы шаговых двигателей. В отличие от двигателей постоянного или переменного тока, для шаговых двигателей требуется последовательное питание, то есть они должны получать фиксированную последовательность импульсов для отдельных катушек. Также бывают биполярные и униполярные двигатели. Униполярный шаговый двигатель отличается от биполярного тем, что имеет дополнительный отвод обмотки, который разделяет обмотку на две части. Обычно биполярный шаговый двигатель имеет 4 или 8 контактов, а униполярный — 5 или 6 контактов.

Схема униполярных и биполярных шаговых двигателей

Вначале рассмотрим униполярный шаговый двигатель, ввиду простоты управления. В таком моторе ток в обмотке всегда течет в одном направлении. Это упрощает метод управления, в отличие от биполярного, где управление должно обеспечивать изменение полярности катушек шагового двигателя путем изменения направления тока через обмотку на противоположное.

Двух переключателей достаточно, чтобы построить простейший драйвер шагового двигателя, как показано на рисунке. Здесь используем 6-проводный униполярный двигатель. Также можно сказать, что двигатель в этом случае управляется однополярно, за счет использования средней обмотки катушки и постоянного напряжения питания на нее.

Переключая данные переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2, S1, S2… заметим, что двигатель вращается. Рисунок выше иллюстрирует важный принцип управления: обе обмотки не могут питаться от одной пары одновременно. Каждое изменение переключателя поворачивает ротор на один шаг. Чем быстрее начнем переключать переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2…, тем быстрее начнет вращаться ротор.

Подключение переключателей к катушкам шагового двигателя

Скорость шагового двигателя зависит не от величины напряжения, а от скорости подключения питания к отдельным обмоткам. Чтобы добиться полного вращения ротора с 200-шаговым двигателем, надо изменить положение каждого переключателя 100 раз, то есть выполнить до 200 последовательностей для двух переключателей. Это уже говорит о том, что шаговые двигатели не могут работать на высокой скорости. Из этого следует, что шаговые двигатели можно назвать «цифровыми двигателями», поскольку для вращения ротора необходимо переключать переключатели в соответствующей последовательности.

В нашем случае последовательность переключений также определяет направление вращения шагового двигателя. Когда меняем последовательность включения переключателей, то меняем и направление вращения, например S2, S1, S2, S1, S2, S1… влево, S1, S2, S1, S2, S1, S2… вправо. В этом примере есть двухпозиционные переключатели, которые всегда обеспечивают питание двух из четырех обмоток шагового двигателя в данный момент. Но использование трехпозиционных переключателей дает гораздо больше возможностей.

Опять же, обе обмотки никогда не питаются от одной пары, что является обязательным принципом управления шаговым двигателем. Благодаря трехпозиционным переключателям можно реализовать, например, полушаговое управление, благодаря разнообразию переключений. Одновременно могут быть под напряжением две, одна или ни одной из обмоток.

На практике вместо переключателей используются биполярные транзисторы, чаще можно встретить драйверы на основе полевых МОП-транзисторов, благодаря возможности пропускания большего тока, а также возможности их перегрузки. Транзистор здесь действует как переключатель, он либо закрыт, либо полностью открыт.

Упрощенная схема управления униполярным шаговым двигателем

Чтобы управлять таким мотором, надо обеспечить соответствующую последовательность импульсов. Например, только одна из четырех обмоток шагового двигателя находится под напряжением одновременно (это своего рода волновое управление). На каждый цикл двигателя подается питание на одну из четырех катушек униполярного шагового двигателя. Вращение его будет выглядеть так:

Вращение униполярного шагового двигателя в последовательных тактах цикла управления волной

Управляющая последовательность A +, B +, A-, B- повторяется каждые четыре импульса тактового генератора. Этот тип управления называется однофазным или волновым. Это полный шаг управления, потому что двигатель выполняет один полный ход (шаг) с одним импульсом генератора.

Последовательность импульсов A +, B +, A -, B — вращает двигатель в одном направлении. Смена полюсов статора (N, S) заключается в питании соответствующей катушки (A + или A -). 

Самый простой способ изменить направление — поменять местами одну пару проводов катушки (поменять местами, например, B + с B — и B — с B +), затем дадим последовательность A +, B -, A -, B + импульсы, он вращает двигатель в противоположном направлении. Так управление направлением реализовано в некоторых контроллерах шаговых двигателей. Самый простой способ изменить последовательность импульсов — использовать, например, реле.

Форма волны (однофазная) импульсная последовательность драйвера

Упрощенная схема однофазного (волнового) регулятора с изменением направления вращения

Несомненное преимущество униполярных шаговых двигателей — простота управления. Но это связано с волновым управлением, с использованием только половины обмотки за раз, одна из них всегда не используется. Используется только 1/4 всех обмоток шагового двигателя, что значительно снижает максимальную производительность.

Двухфазное управление шаговым мотором

Гораздо лучшей альтернативой однофазному управлению будет двухфазное, при котором работают две из четырех обмоток шагового двигателя. В таком управлении используем 1/2 всех обмоток. Тогда мотор станет более эффективен.

Вращение двигателя при двухфазном полноступенчатом управлении

Две катушки шагового двигателя всегда находятся под напряжением. Опять же, мы никогда не питаем две катушки из одной пары одновременно. С каждым импульсом от генератора переключается только одна катушка из отдельных пар (последовательно). В первом цикле катушки A и B находятся под напряжением, во втором катушка A все еще находится под напряжением, в то время как катушка B переключается на B +, в третьем цикле катушка B + находится под напряжением из второго цикла, и катушка A переключается на A + и так далее.

Двухфазная последовательность управляющих импульсов

Формы сигналов A + и B + сдвинуты друг к другу (две из четырех обмоток всегда работают в заданном цикле), а сигналы A + и B- инвертируются с сигналами A + и B +. Такие формы сигналов (смещенные относительно друг друга) легко генерируются, например, благодаря интегральной микросхеме 4013, которая имеет два D-триггера. Также можно использовать микроконтроллер. Изменение направления вращения в таком контроллере, как и при однофазном (волновом) управлении, может быть реализовано путем изменения направления проводов одной пары концов катушки (изменение с A + на A — и A — на A +). Чаще всего изменение скорости основано на изменении логики последовательности управляющих импульсов. Мы можем сделать это, например, используя логические элементы XOR, которые будут отрицать сигналы (инвертировать их).

Упрощенная схема двухфазного контроллера с изменением направления вращения, D-триггерами для создания смещенных сигналов и логическими вентилями XOR

Оба типа управления представленные выше: однофазный (волновой) и двухфазный (инвертированные сигналы, управляющие транзисторами), в просторечии, являются униполярными типами управления, потому что используем униполярные шаговые двигатели с дополнительными ответвлениями обмотки. Также в биполярных шаговых двигателях, где работает вся обмотка, мы встречаемся с однофазным и двухфазным управлением, там идея работы аналогична.

Также стоит упомянуть моторы VR (реактивного сопротивления). Двигатели VR обычно имеют три обмотки. Чтобы управлять таким двигателем, нам нужно подавать отдельные обмотки одну за другой в последовательности A, B, C, A, B, C… это заставит двигатель вращаться в одном направлении, в то время как последовательность питания обмотки A, C, B, A, C, B… заставит его вращаться в противоположном направлении. Самый простой способ изменить направление — поменять местами концы двух обмоток шагового двигателя VR, и проще всего это сделать с помощью реле.

Упрощенная схема драйвера резистивного шагового двигателя

Последовательность импульсов управления шаговым двигателем

Последовательность импульсов драйвера реактивного шагового двигателя очень похожа на волновое управление.

Биполярное управление обеспечивает более эффективное использование шагового двигателя, при котором всегда работает вся обмотка шагового двигателя, что дает гораздо лучшую производительность на низких и средних скоростях. А крутящий момент примерно на 30 — 40% больше. Но для этого требуется изменить полярность питания катушки, изменив направление тока в обмотках (например поменяв местами концы катушек). Для этого используются два транзисторных моста H (название происходит от сходства с буквой H на схеме), которые состоят из двух ветвей, а каждая ветвь состоит из двух транзисторов. Чаще всего для построения такого моста используются биполярные транзисторы NPN или MOSFET N.

Биполярный драйвер требует более сложного управления из-за того, что нужно управлять каждым из восьми транзисторов индивидуально. Взамен получаем все возможности шагового двигателя, хотя реализация такого типа управления не самая простая.

Принцип работы такого моста основан на том, что если верхний транзистор проводит в одной ветви, а нижний транзистор в другой, и наоборот, то через катушку шагового двигателя будет протекать ток. Если два верхних или два нижних транзистора проводят одновременно в двух ветвях одного моста, то ток через катушку не будет протекать. Путем соответствующего управления транзисторами получаем изменение направления тока, протекающего через катушку, и, таким образом, изменение полярности катушки.

Также в биполярных контроллерах имеем дело с однофазным (волновым) и двухфазным управлением. Оба элемента управления являются полношаговыми. При однофазном управлении, как и в униполярных шаговых двигателях, в следующем цикле запитывается только одна катушка,

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах однофазного (волнового) цикла управления

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах двухфазного цикла управления

Упрощенная схема драйвера для биполярных двигателей с транзисторными Н-мостами

Последовательность импульсов для питания катушек идентична униполярному двигателю, но в этом случае нет четырех сигналов на транзисторы, только восемь сигналов на восемь транзисторов. Каждым из них нужно управлять индивидуально, переключая соответствующие транзисторы в нужный момент. Ток протекает через катушку, когда один верхний транзистор и один нижний транзистор включены «крест-накрест», то есть 1 и 3 на схеме, другие 2 и 4 в катушке A шагового двигателя закрыты. Но когда выключаем 1 и 3 и включаем 2 и 4, то меняем направление тока в катушке.

Включаем транзисторы «крестом» в катушке A и B. Напряжение питания катушки задается как в униполярном управлении, в то время как «массовый» транзистор подключается крест-накрест к присоединенному верхнему силовому транзистору. Можем если надо изменить скорость, изменив управление двумя концами одной катушки, что приведет к другой последовательности импульсов. Самый простой способ — использовать реле, как при униполярном управлении, также можно реверсировать сигналы, управляющие транзисторами.

Ход управления катушками в биполярном шаговом двигателе волнового управления

Чтобы понять идею, можно сказать что на схеме показано питание проводов биполярного шагового двигателя, т.е. высокое состояние означает напряжение на конкретном проводе (A +, B +, A -, B -), а низкое состояние — появление заземления на отдельных проводах в заданном цикле. Здесь меняем направление тока в катушках, в первом импульсе (в первом цикле) генератор A + земля A — питается от генератора, а в третьем A — земля A + подается, меняя «полярность» источника питания так, чтобы меняли полярность катушек, например N на S.

Фактически, форма сигналов управления транзисторами в H-мосте будет выглядеть как на схеме ниже. Это биполярное однофазное (волновое) управление.

Ход транзисторной последовательности управления в биполярном волновом контроллере

Идея управления катушками двухфазного биполярного двигателя аналогична управлению двухфазным униполярным шаговым мотором. Здесь также нужно управлять каждым транзистором отдельно, как в случае управления биполярной волной. Можем изменить скорость на реле, как при управлении волнами, или использовать логические вентили, меняющие сигналы.

Ход управления катушками в биполярном двигателе двухфазного управления

Эта схема, что касается управления биполярной волной, показывает соответствующий источник питания проводов биполярного шагового двигателя. Низкое состояние означает основное высокое напряжение питания катушки. В первом цикле проводники A — и B — земли A + и B + находятся под напряжением, во втором цикле проводники A — и B + земли A + и B- находятся под напряжением и так далее.

Последовательность импульсов управления транзистором будет выглядеть примерно так:

Последовательность управления транзистором в двухфазном биполярном контроллере

Как правило, биполярные шаговые двигатели требуют сложной схемы управления. Эта проблема была решена с появлением специализированных интегральных схем (A3977, A4988, L297), которые используются для генерации соответствующей последовательности импульсов для управления транзисторами в H-мосте.

Также можем использовать логические элементы или D-триггеры для генерации этой последовательности, но чаще существуют драйверы, построенные на микроконтроллерах или специализированных интегральных схемах.

Самым большим преимуществом управления биполярным шаговым двигателем является хорошо используемый крутящий момент, благодаря тому что вся обмотка находится в текущем состоянии после получения импульса (в течение одного цикла).

Двигатели PM (с постоянным магнитом) и HB (гибридные), несмотря на их различную конструкцию, управляются одинаково. Каждый двигатель с 4 контактами может управляться только биполярно, в то время как униполярный шаговый двигатель с 6 контактами может работать как биполярный, так и униполярный.

Двигатели с 8 выводами дают гораздо больше возможностей, они могут работать как однополярные, так и биполярные. Кроме того, шаговый двигатель можно подключить последовательно, где нужно подавать на него более высокое напряжение, но в то же время он будет потреблять меньше тока, что приведет к снижению мощности на более высоких скоростях.

Также можем подключить его параллельно и запитать от более низкого напряжения, но с более высоким током. Это даст меньше потерь мощности на более высоких скоростях. На низких скоростях, как при последовательном, так и при параллельном подключении, двигатель будет иметь одинаковый крутящий момент (мощность).

Схема последовательного и параллельного подключения 8-проводного шагового двигателя

Идея последовательного и параллельного подключения также может быть использована с 6-проводным униполярным двигателем.

Схема последовательного и параллельного подключения 6-проводного шагового двигателя

Следует отметить, что при управлении шаговым двигателем мы переключаем обмотки, имеющие некоторую индуктивность. Когда ток прерывается в индуктивности, генерируется напряжение самоиндукции, которое может быть большим и повредить транзистор. Чтобы исключить это явление, необходимо правильно обеспечить протекание тока в катушке даже после выключения транзистора. Наиболее распространены быстродействующие диоды, которые срезают всплески, возникающие при открытии транзистора. Также можете найти драйверы с конденсаторами вместо диодов.

Схема подключения диодов к униполярному драйверу на биполярных транзисторах

Верхние диоды на схеме отсекают положительные импульсы, образовавшиеся в результате отключения тока от катушек шагового двигателя. С другой стороны, нижние диоды тоже нужны, потому что две обмотки одной пары образуют автотрансформатор. Когда в одной катушке есть положительное перенапряжение, отсекаемое верхним диодом, в другой катушке той же пары происходит отсечение отрицательного перенапряжения нижним диодом.

Иная ситуация с использованием MOSFET-транзисторов, потому что транзистор уже имеет в своей структуре переход сток-исток, который в данном случае действует как диод. При использовании небольших двигателей верхние диоды можно не устанавливать. Положительная энергия вывода не очень велика и может быть поглощена транзистором, который кратковременно работает в разрешенном режиме лавинного пробоя и действует как стабилитрон.

Схема униполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Также используем тот же принцип для биполярного управления. При использовании MOSFET-транзисторов можем использовать встроенные «диоды» в транзисторе.

Схема использования диодов в биполярных драйверах

Схема биполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Ещё стоит упомянуть инерцию обмоток, ограничивающую скорость нарастания тока. Каждая из катушек шагового двигателя имеет определенную индуктивность L и сопротивление R. После подачи напряжения на катушку ток I определяется напряжением питания катушки (VCC) и ее сопротивлением, то есть I = VCC / R. Он не сразу достигает значения, определяемого L iR. Ток постепенно увеличивается, а постоянная времени нарастания составляет T = L / R. Обычно это 10 мс, поэтому период прямоугольной волны должен составлять 20 мс или 50 Гц, чтобы обеспечить 10 мс высокого состояния длительности импульса для катушки для достижения полного тока.

На низких частотах (скоростях) это значения не имеет, а на более высоких частотах ток не успеет увеличиться до нужного значения. Следовательно, двигатель будет значительно терять крутящий момент при увеличении оборотов, из-за того что ток не успевает увеличиться до номинального тока мотора.

Лучшее решение этой проблемы — подать на двигатель напряжение, намного превышающее номинальное напряжение его работы. Из-за более высокого напряжения ток нарастает быстрее. Правда для этого требуется специальная схема, ограничивающая ток протекающий по обмоткам.

Среди других решений — использование резистора, который выбирается так, чтобы ток в установившемся режиме был равен номинальному току двигателя. Недостатком такой системы являются большие потери мощности на резисторе.

Схема использования резистора для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Иное решение — заменить резисторы на источник тока, который будет поддерживать заданное значение. Сначала на катушку подается высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, затем источник будет поддерживать заданное значение тока катушки. Правда потери мощности по-прежнему являются большим недостатком, на этот раз на транзисторах, из-за высокого напряжения питания.

Схема использования источника тока для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Другой способ — работать от двух источников питания. В первые моменты импульса катушка питается от более высокого напряжения, которое ускоряет рост тока, затем она переключается на второй источник с номинальным напряжением питания шагового двигателя. 

Недостатком такого решения является необходимость использования двух источников, что связано с дополнительными преобразователями. На схеме ниже переключатели используются для иллюстрации идеи переключения источников напряжения.

Упрощенная схема использования двух источников питания для регулирования тока в обмотках шагового двигателя

Самый эффективный метод — чопперский. Он заключается в подаче на катушку двигателя не одиночных импульсов, а серии импульсов по форме напоминающих сигнал ШИМ. В первый момент импульса от генератора прикладывается более высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, позже оно ограничивается циклической работой транзистора.

Фрагмент схемы биполярного контроллера с технологией чоппера

Форма сигнала прерывателя для управления транзистором

Напоминаем, что в первые моменты управляющего импульса продлеваем включение транзистора, что позволяет быстрее увеличить ток, благодаря гораздо более высокому напряжению VCC, чем номинальное напряжение мотора. В следующие моменты импульса значительно сокращаем время транзистора, он работает циклически и тем самым ограничивает напряжение до номинального рабочего напряжения шагового двигателя. Компаратор, который будет сравнивать напряжения решает, когда сигнал управления транзистора должен быть переключен с постоянного на прерывистый. Благодаря этому есть возможность регулировать ток, подаваемый на катушку шагового двигателя.

Схема использования компаратора в биполярном контроллере

Эта схема очень эффективна и позволяет регулировать ток катушки независимо от напряжения питания, изменяя напряжение Vs.

Напряжение питания катушки VCC намного выше, чем рабочее напряжение обмотки, а это означает что после включения транзистора ток достигает своего рабочего значения намного быстрее, за гораздо более короткое время чем постоянная времени L / R. После достижения порогового значения (установленного Vs) компаратор сравнивает падение напряжения на управляющем резисторе Rs с напряжением Vs. Если ток двигателя и, следовательно, падение напряжения на Rs увеличиваются выше напряжения Vs, компаратор запускает моностабильный триггер, который излучает один импульс и на короткое время отключает напряжение питания катушки, что снижает ток, а затем цикл повторяется с начала.

В результате компаратор и триггер циклически открывают и закрывают транзистор, что предотвращает повышение напряжения катушки до напряжения питания VCC. За счет циклической работы транзистора ограничивается напряжение питания катушки шагового двигателя. Тогда течение имеет пилообразную волну. Ниже представлена диаграмма тока в обмотке прерывателя.

График импульсов тока в обмотке

Этот управляющий сигнал с прерывистой катушкой позволяет увеличить крутящий момент шагового двигателя, особенно при более высоких скоростях вращения. Конечно потребуется еще более интеллектуальная система управления (эта проблема была решена с появлением встроенных драйверов шаговых двигателей и микроконтроллеров), но она позволяет ускорить процесс увеличения тока благодаря подаче гораздо более высокого напряжения на более высокие частоты от генератора, без значительных потерь энергии или использования двух разных источников питания. Тут понадобится только один блок питания с относительно высоким напряжением.

Очень хорошая альтернатива, особенно в тех случаях когда драйвер не нуждается в специальных функциях, — использовать готовые интегральные микросхемы драйверов шаговых двигателей. Многие производители предлагают широкий спектр специализированных чипов, разработанных специально для управления шаговыми двигателями.

Обмотки шаговых двигателей чаще всего управляются формой сигнала ШИМ через H-мосты, по одному на обмотку. Угол поворота пропорционален количеству импульсов, а скорость вращения — их частоте. При работе с полными ступенями довольно много шума и вибрации. К сожалению, также могут быть случаи пропуска ступеней («выход») и, как следствие, потеря контроля над положением ротора. Эта проблема решается за счет использования микрошагов, таким образом питая обмотки так, что ротор проходит через промежуточные положения за один полный шаг.

Если для быстрой остановки двигателя требуется еще несколько шагов, важно правильно определить состояние перехода и остановки. В этом случае желательно управление с обратной связью в отличие от абсолютного позиционирования с обратной связью, основанного на подсчете шагов. Существует адаптивное управление скоростью шагового двигателя, позволяющее остановить его как можно скорее, несмотря на возможное увеличение нагрузки на этом этапе.

Это возможно на основании наблюдения увеличения BENF и соответствующего увеличения частоты импульсов, питающих двигатель. Вышеописанный алгоритм реализован в интегрированном однокристальном контроллере AMIS-30624. Он настроен для работы с различными типами шаговых двигателей, диапазонами позиционирования и такими параметрами, как скорость, ускорение и замедление.

Схема контроллера AMIS-30624

Он имеет встроенный бессенсорный детектор потери шага, который предотвращает потерю шагов позиционером и быстро останавливает двигатель при его остановке. Это обеспечивает тихую, но точную калибровку во время эталонного прогона и позволяет работать с полузамкнутым контуром. AMIS-30624 включает в себя как аналоговые цепи высокого напряжения, так и цифровые блоки управления. Чип разработан для применений в автомобильной, промышленной и строительной отраслях.

   Форум

   Форум по обсуждению материала УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ



ПРОСТЕЙШИЙ ГАУСС ГАН

Обзор электромагнитного пистолета из китайского набора для самостоятельной сборки.


MINILED И MICROLED ДИСПЛЕИ

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры — краткий обзор и сравнение технологий.


ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

Что такое изолятор и чем он отличается от токопроводящего материала. Занимательная теория радиоэлектроники.



Шаговые двигатели от принтера применение в самоделках. Как работает шаговый электродвигатель? Подключение шагового двигателя

С каждым годом люди ведут поиски альтернативных источников. Самодельная электростанция из старого автомобильного генератора будет кстати в отдалённых участках, где нет подключения к общей сети. Она сможет свободно заряжать аккумуляторные батареи, а также обеспечит работу нескольких бытовых приборов и освещения. Куда использовать энергию, что будет вырабатываться решаете вы, а также собрать его своими руками или приобрести у производителей, которых на рынке предостаточно. В этой статье мы поможем вам разобраться со схемой сборки ветрогенератора своими руками из тех материалов которые всегда есть у любого хозяина.

Рассмотрим принцип работы ветро-электростанции. Под быстрым ветровым потоком активируется ротор и винты, после в движение приходит основной вал, вращающий редуктор, а потом происходит генерация. На выходе мы получаем электричество. Следовательно, чем выше скорость вращения механизма, тем больше производительности. Соответственно, при расположении конструкций учитывайте местность, рельеф, знать участки территорий, где большая скорость вихря.


Инструкция сборки из автомобильного генератора

Для этого вам потребуется заранее приготовить всё комплектующие. Самым важным элементом является генератор. Лучше всего брать тракторный или автобусный, он способен выработать намного больше энергии. Но если такой возможности нет, то вероятнее стоит обойтись и более слабыми агрегатами. Для сборки аппарата вам понадобится:
вольтметр
реле аккумуляторной зарядки
сталь для изготовления лопастей
12 вольтовый аккумулятор
коробка для проводов
4 болта с гайками и шайбами
хомуты для крепления

Сборка устройства для дома на 220в

Когда все потребное готово переходите к сборке. Каждый из вариантов может иметь дополнительные детали, но они чётко оговариваются непосредственно в руководстве.
Первым делом соберите ветряное колесо — главный элемент конструкции, ведь именно эта деталь будет преображать энергию ветра в механическую. Лучше всего, чтобы у него было 4 лопасти. Запомните, что чем меньше их количество, тем больше механической вибрации и тем сложней будет его сбалансировать. Делают их из листовой стали или железной бочки. Форму они должны носить не такую, как вы видели в старых мельницах, а напоминающие крыльчатый тип. У них аэродинамическое сопротивление намного ниже, а эффективность выше. После того как вы с помощью болгарки, вырежете ветряк с лопастями диаметром 1.2-1.8 метра, его вместе с ротором требуется прикрепить с осью генератора, просверлив отверстия и соединив болтами.


Сборка электрической схемы

Закрепляем провода и подключаем их непосредственно к аккумулятору и преобразователю напряжения. Требуется использовать все, что в школе на уроках физики вас учили мастерить при сборке электрической схемы. Перед началом разработки подумайте, какие кВт вам нужны. Важно отметить, что без последующей переделки и перемотки статора вовсе не пригодны, рабочие обороты составляют 1,2 тыс-6 тыс. об/м, а этого недостаточно для производства энергии. Именно по этой причине требуется избавится от катушки возбуждения. Чтобы поднять уровень напряжения, перемотайте статор тонким проводом. Как правило, в результате мощность будет при 10 м/с 150-300 ватт. После сборки ротор хорошо будет магнитить, будто к нему подключили питание.

Роторные самодельные ветрогенераторы очень надёжны в работе и экономично выгодны, единственным их несовершенством является страх сильных порывов ветра. Принцип работы имеет простой — вихрь через лопасти заставляет механизм крутиться. В процессе этих интенсивных вращений вырабатывается энергия, необходимого вам напряжения. Такая электростанция – это очень удачный способ обеспечить электричеством небольшой дом, конечно, чтобы выкачивать воду из скважины его мощности будет недостаточно, но посмотреть телевизор или включить свет во всех помещениях с его помощью возможно.

Из домашнего вентилятора

Сам вентилятор может быть в нерабочем состоянии, но из него требуется всего несколько деталей — это стойка и сам винт. Для конструкции понадобиться небольшой шаговый двигатель спаянный диодным мостиком для того, чтобы он выдавал постоянное напряжение, бутылочка от шампуня, пластиковая водопроводная трубка длиной примерно 50 см, заглушка для неё и крышка от пластикового ведра.



На станке делают втулку и фиксируют в разъёме от крыльев разобранного вентилятора. В эту втулку будет крепиться генератор. После закрепления, нужно заняться изготовлением корпуса. Срезают с помощью станка или в ручном режиме дно от бутылки шампуня. Во время отрезания, требуется также оставить отверстие на 10, чтобы в него вставить ось, выточенную из алюминиевого прута. Прикрепляют её с помощью болта и гайки к бутылочке. После того как была выполнена припайка всех проводов, в корпусе бутылочки проделывают ещё одно отверстие для вывода этих самых проводов. Протягиваем их и закрепляем в бутылочке сверху на генераторе. По форме они должны совпадать и корпус бутылки должен надёжно скрывать все его части.

Хвостовик для нашего устройства

Чтобы в будущем он улавливал потоки ветра с разных сторон, соберите хвостовик, использовав заранее подготовленную трубку. Хвостовая часть будет крепиться с помощью откручиваемой крышки от шампуня. В ней тоже делают отверстие и, предварительно надев на один конец трубки заглушку, протягивают её и закрепляют к основному корпусу бутылочки. С другой стороны, трубку пропиливают ножовкой и вырезают ножницами из крышки пластикового ведра крыло хвостовика, оно должно иметь круглую форму. Все что вам нужно, это попросту обрезать края ведра, которыми оно прикреплялось к основной ёмкости.


На заднюю панель подставки прикрепляем USB выход и складываем все полученные детали в одну. Крепить радио или подзаряжать телефон можно будет через этот вмонтированный USB порт. Конечно, сильной мощностью он от бытового вентилятора не обладает, но все же освещение одной лампочки может обеспечить.

Ветрогенератор своими руками из шагового двигателя

Устройство из шагового двигателя даже при небольшой скорости вращения вырабатывает около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, а это позволяет заряжать небольшой аккумулятор. В качестве генератора можно вставить шаговый двигатель от принтера. В таком режиме у шагового двигателя вырабатывается переменный ток, а его без труда преобразовать в постоянный, используя несколько диодных мостов и конденсаторы. Схему вы можете собрать собственноручно. Стабилизатор устанавливают за мостами, в следствии получим постоянное выходное напряжение. Чтобы контролировать зрительно напряжение, можно установить светодиод. С целью уменьшения потери 220 В, для его выпрямления, применяются диоды Шоттки.


Лопасти будут из трубы ПВХ. Заготовку рисуют на трубе, а затем вырезают отрезным диском. Размах винта должен составлять около 50 см, а ширина — 10 см. Нужно выточить втулку с фланцем под размер вала ШД. Она насаживается на вал двигателя и крепится с помощью винтов, непосредственно к фланцам будут крепиться пластиковые “винты”. Также проведите балансировку – от концов крыльев отрезаются кусочки пластика, угол наклона изменить посредством нагрева и изгиба. В само устройство вставляют кусок трубы, к которому его тоже прикрепляют болтами. Что касается электрической платы, то её лучше разместить внизу, а к ней вывести питание. С шагового двигателя выходят до 6 проводов, которые соответствуют двум катушкам. Для них потребуются токосъёмные кольца для передачи электроэнергии от подвижной части. Соединив все детали между собой переходим к тестированию конструкции, которая будет начинать обороты при 1 м/с.

Ветряк из мотор-колесо и магнитов

Не каждый знает, что ветрогенератор из мотор-колеса можно собрать своими руками за короткое время, главное заранее запастись нужными материалами. Для него лучше всего подходит ротор Савониуса, его можно приобрести готовый или же самостоятельно. Он состоит из двух полуцилиндрических лопастей и перекрытия, из которых и получаются оси вращения ротора. Материал для их изделия выбирайте самостоятельно: дерево, стеклоткань или пвх-трубу, что является самым простым и оптимальным вариантом. Изготовляем место соединения деталей, на котором нужно проделать отверстия для крепления в соответствии с количеством лопастей. Потребуется стальной поворотный механизм, чтобы устройство могло выдерживать любую погоду.

Из ферритовых магнитов

Ветрогенератор на магнитах будет сложно освоить малоопытным мастерам, но все же можно попробовать. Итак, должны быть четыре полюса, в каждом будет находиться по два ферритовых магнита. Покрывать их будут накладки из металла толщиной чуть меньше миллиметра для распределения более равномерного потока. Основных катушек должно быть 6 штук, перемотаны толстым проводом и должны находиться через каждый магнит, занимая пространство, соответствующее длине поля. Крепление схем обмотки может быть на ступице от болгарки, в середину которой установлен заранее выточенный болт.

Регулируется поток подачи энергии высотой закрепления статора над ротором, чем он выше, тем меньше залипаний, соответственно мощность понижается. Для ветряка нужно сварить опору-стойку, а на диске статора закрепить 4 больших лопасти, которые вы можете вырезать из старой металлической бочки или крышки от пластикового ведра. При средней скорости вращения выдаёт примерно до 20 ватт.

Конструкция ветряка на неодимовых магнитах

Если вы хотите узнать о создании, нужно сделать основой ступицу автомобиля с дисками тормоза, такой выбор вполне оправдан, ведь она мощная, надёжная и хорошо сбалансированная. После того как вы отчистите ступицу от краски и грязи, переходите к расстановке неодимовых магнитов. Их потребуется по 20 штук на диске, размер должен составлять 25х8 миллиметров.

Магниты нужно размещать, учитывая чередование полюсов, перед склейкой лучше создать бумажный шаблон либо прочертить линии, делящие диск на сектора, чтобы не перепутать полюса. Очень важно, чтобы они, стоящие друг напротив друга, были с разными полюсами, то есть притягивались. Клеят их супер-клеем. Поднимите бордюрчики по краям дисков, и в центре намотайте скотч или залепите пластилином для недопущения растекания. Чтобы изделие работало с максимальной отдачей, катушки статора следует рассчитать правильно. Увеличение количества полюсов приводит к росту частоты тока в катушках, благодаря этому, устройство даже при низкой частоте оборота даёт большую мощность. Намотка катушек осуществляется более толстыми проводами, с целью снижения сопротивления в них.

Когда основная часть готова, изготовляют лопасти, как в предыдущем случае и закрепляют их к мачте, что может быть изготовлена из обыкновенной пластиковой трубы с диаметром- 160 мм. В конце концов наш генератор, работающий на принципе магнитной левитации, с диаметром в полтора метра и шестью крыльями, в 8м/с, способен обеспечить до 300 Вт.

Цена разочарования или дорогой флюгер

Сегодня существует множество вариантов как сделать устройство для преобразования энергии ветра, каждый способ по-своему эффективен. Если вы ознакомлены с методикой изготовления оборудования вырабатывающего энергию, то будет неважно на базе чего его делать, главное, чтобы он отвечал задуманной схеме, и на выходе давал хорошую мощность.

У меня много различной оргтехники, которая вышла из строя. Выбрасывать я её не решаюсь, а вдруг пригодится. Из её частей возможно сделать что-нибудь полезное.
К примеру: шаговый двигатель, который так распространен, обычно используется самодельщиками как мини генератор для фонарика или ещё чего. Но я практически никогда не видел, чтобы его использовали именно как двигатель для преобразования электрической энергии в механическую. Оно и понятно: для управления шаговым двигателем нужна электроника. Его просто так к напряжению не подключишь.
И как оказалось — я ошибался. Шаговый двигатель от принтера или ещё от какого устройства, довольно просто запустить от переменного тока.
Я взял вот такой двигатель.


Обычно у них четыре вывода, две обмотки. В большинстве случаем, но есть и другие конечно. Я рассмотрю самый ходовой.

Схема шагового двигателя

Его схема обмоток выглядит примерно так:


Очень похоже на схему обычного асинхронного двигателя.
Для запуска понадобится:
  • Конденсатор емкостью 470-3300 мкФ.
  • Источник переменного тока 12 В.
Замыкаем обмотки последовательно.


Середину проводов скручиваем и запаиваем.


Подключаем конденсатор одним выводом к середине обмоток, а вторым выводом в источнику питания на любой выход. Фактически конденсатор будет параллелен одной из обмоток.


Подаем питание и двигатель начинает крутиться.


Если перекинуть вывод конденсатора с одного выхода питания на другой, то вал двигателя начнет вращаться в другую сторону.


Все предельно просто. А принцип работы этого всего очень прост: конденсатор формирует сдвиг фаз на одной из обмоток, в результате обмотки работают почти попеременно и шаговый двигатель крутится.
Очень жалко то, что обороты двигателя невозможно регулировать. Увеличение или уменьшение питающего напряжения ни к чему не приведет, так как обороты задаются частотой сети.
Хотелось бы добавить, что в данном примере используется конденсатор постоянного тока, что является не совсем правильным вариантом. И если вы решитесь использовать такую схему включения, берите конденсатор переменного тока. Его так же можно сделать самому, включив два конденсатора постоянного тока встречно-последовательно.

Сморите видео

Вы, хоть понимаете, что пишете? Или пишете для того, чтобы человека поддержать в его начинаниях и он, потратив деньги на комплектующие для своей системы, в конечном итоге получил абсолютно неработоспособную вещь? Вы отвечаете: «Двигатель, как генер подойдет» — да, подойдет, но откуда вы взяли 1,1-1,5А? Это при каком напряжении? При какой скорости вращения ротора? Далее пишете: «Стандарт мощности 1м ленты, вроде, 5Вт…» — стандарта мощности тут нет, а ленты бывают и около 5Вт и около 14Вт, и около 7Вт на метр и др., а это очень большой разброс. Продолжаем: «Так как вы столько накрутили то вполне может хватить для заряда аккумулятора» — это, вообще, что означает? То, что чем сложнее, навороченнее и запутаннее схема, тем больше ее отдача и эффективность? Полная ерунда. Для зарядки 12В мотоаккума нужно около 14-15В при токе примерно 0,6-0,7А (для емкости примерно 7А/ч). Вы уверены, что система способна долговременно выдавать такие параметры? Ведь, чтобы зарядить разряженный аккум мотоцикла, 2-3-х часов не хватит. Считаете, также, что заряжать можно и от 18В? Да, можно, но электролит выкипит через неделю, если не раньше, и пластины посыпятся. Хороша рекомендация! Неприхотливы в зарядке — это не означает, что их можно заряжать любым напряжением. Далее Вы пишете: «Будет очень даже отлично, ведь вдруг забыл выключить свет и аккумулятор сел еще до того как успеет подзарядится» — говорите так, будто зарядка аккума происходит только в светлое время суток))) Это ветряк, а не солнечная батарея. При правильно работающей системе, при постоянном ветре, аккум вообще не должен разряжаться, если даже забыли выключить свет. Но идея фотоэлемента сама по себе хороша с точки зрения автоматизации. Далее: светодиодная лента, наверное, будет работать, как Вы говорите, и при 30 вольтах, однако, долго ли? Сопротивления ограничивают ток, да, но он же будет расти пропорционально повышению напряжения, а не оставаться постоянным! Диоды очень не любят превышения рабочего тока. Так, что результат известен: перегрев диодов и, как следствие, резкое снижение срока эксплуатации, либо выход их из строя крайне быстрый. Следом пишете: «Емкость также не критична, добавьте еще 1 пленочный конденсатор на 1 мкф» — для чего? Это что, фильтр помех? Почему тогда 1мкФ? И зачем там вообще фильтр? А, если не фильтр, а сглаживающий пульсации элемент, то тут как раз его емкость критична! Емкость — это основной параметр конденсатора вообще-то. А 1мкФ — это пустое место для описанной человеком системы, ничего он не сгладит. Даже 1000мкФ, которую хотел установить автор вопросов — очень мало для его задумки. Я бы понял, если бы это было 5000-7000 или даже 10000мкФ, а то и больше. В конце человек спрашивает, хватит ли мотоаккума, чтобы лента светилась всю ночь, и Вы отвечаете, что, мол, конечно, хватит. Вы изучали физику в школе? Или еще изучаете? Это было Ваше предположение пальцем в небо или хоть какой-нибудь элементарный расчет? Давайте прикинем очень грубо: человек писал, что хочет установить 10-15м ленты. Даже, если взять минимальные значения, т.е. 10м ленты мощностью 5Вт/м, то путем нехитрых подсчетов получаем 50Вт мощности. Поделив мощность ленты на напряжение аккума (примерно 12,8В) получим ток: 50/12,8=3,9А. Емкость обычного мотоаккума примерно равна 7А/ч. Т.о. можно прикинуть, сколько времени проработает лента от полностью заряженного аккума: 7/3,9=1,79ч=1ч 47мин., т.е. почти два часа. Это далеко не вся ночь. К тому же, в расчет взяты минимальные параметры и, если длина ленты или/и ее мощность будут больше, соответственно время работы от аккума пропорционально уменьшится. Вот, как-то так.
Я бы не стал всего этого писать, но дело в том, что лента стоит денег, аккум и фотореле тоже… И деньги это немалые, а чел, получивший одобрение и поддержку своей идеи в комментах людей, не понимающих сути и нюансов процесса, радостно побежит в магаз, потратит деньги на комплектующие, а в итоге получит систему, неработоспособную в принципе, изначально. Не надо давать советы, не разбираясь в вопросе!

Обычно дует лёгенький ветерок но мой мини ветрячёк периодически раскручивается до очень больших оборотов, винт вращается с такой скоростью, что его практически не видно, правда при таких оборотах доносится едва слышное рокатание лопастей. Сейчас этот ветрячёк поддерживает в рабочем состоянии старенький, но рабочий аккумулятор, чтобы тот не разряжался. Максимальная мощность ветрячка всего до 100мА, возможно он может выдать и больше, но у нас обычно дует небольшой ветер, и замерял на обычном ветерке.

Конструкцию подобных ветрячков подсмотрел на одном заморском сайте и решил повторить, так и родился этот малыш. В качестве генератора использовал шаговый моторчик от давно нерабочего и пылившегося у меня струйного принтера. Разобрав его выкрутил маторчик. Далее посмотрел, повертел, покрутил руками, померил сколько даёт, давал очень мало, но вольты поднимались выше 12-ти, а значит он теоретически мог заряжать аккумулятор.

Далее из транзистора сделал крепление для лопастей. Транзистор просверлил по диаметру вала на котором стаяла зубчатая насадка, в общем под её размеры. Надел на вал транзистор, капнул клея и покрутил убедившись что всё ровно. Потом окончательно зафиксировал с помощъю эпоксидки. Развёл немного и залил отверстие транзистора, дополнительно защитил моторчик от непогоды замазав дырочки в моторчике. Ниже фотография сего генератора.

Далее из отрезка ПВХ трубы, диаметром 110мм, вырезал лопасти, на трубе нарисовал заготовку, которую вырезал отрезной машинкой. Размеры взял примерные ширина получилась 9см, а размах винта 48см. Просверлил отверстия и прикрутил винт к моторчику-генератору с помощъю маленьких болтиков.

За основу использовал отрезок 55-той ПВХ трубы, далее вырезал хвост из фанерки, и добавил кусочек от 110-той.Моторчик вклеил внутри трубы. После сборки получилась вот такая ветроэлектростанция. Сразу собрал выпрямитель.Так как этот мотор не хотел давать много вольт на малых оборотах, то собрал по схеме удвоения и включил последовательно.

Диоды взял HER307, конденсаторы — 3300мкф

Схему укутал в полиэтилен и вставил в трубу выпрямитель, потом мотор и привязал его проволокой сквозь просверленные дырочки, пространство замазал силиконом. Так-же силиконом потом замазал все дырдочки сверху, а снизу просверлил одно отверстие на всякий случай, чтобы если что вода стекла, и испарялся конденсат.

Хвост закрепил насквозь болтом, полукруглый хвост вставил и привязал проволокой, он и так прочно держится. Нашёл центр тяжести, просверлил (диам. 9мм.) Ещё просверлил диам. 6мм два болта М10, насквозь, под ось. (Болты М10 здесь служат «подшипником» оси) Ввернул сверху и снизу болты М10 в трубу, смазал длинный болт М6 солидолом и всё скрутил, получилось довольно жёстко. Болт-ось (М6) прикрутил к уголку, а его к палке. Сверху на болт М10 одел на силиконе пробку, теперь ось воды не боится. Всё ветрогенератор изготовлен.


Для мачты взял несколько брусочков. которые скрутил саморезами, закрепил ветряк и поднял на ветер. Подключил к аккумулятору, зарядка идёт, но очень слабенькая, поддерживает аккумулятор от естественного разряда. Так как верячок крутиться, то остался доволен, по крайней мере буду знать откуда ветер дует.Этот вариант — как сказано на том сайте — little weekend project, то-есть маленький проект для выходных, для удовольствия что-нить поковырять, тем более я не потратил ни копейки… клей не в счёт. Так по идее может пару маленьких светодиодов зажечь, или мобильный телефон за пару суток зарядить, но скорее всего такой слабый ток телефон примет за плохой контакт и отключит, написав на дисплее плохое соединение.

В будущем если будет время и желание может сделаю на освещение двора, вот только второй такой-же соберу и аккумулятор небольшой поставлю, или несколько аккумуляторных батареек. Для этого остался ещё один шаговый, только этот выдаёт под 2х20вольт от прокручивания рукой, но ток маленький. А второй — на щётках, сразу постоянка. От руки 10 вольт, КЗ — 0,5 Ампера. А ещё всё-же буду мучить автогенератор, вот только магниты дождусь.

Пришла в голову простая, очевидная, но гениальная мысль. Ведь если учесть, что шаговый двигатель является не только моторчиком, который обеспечивает механическую работу абсолютно разных устройств (начиная от принтеров сканеров и другой офисной аппаратуры, заканчивая различными агрегатами, применяемыми в более серьезных устройствах). Шаговый двигатель так же может послужить отличным генератором электричества!

А его самый главный плюс во всем, это то, что ему вовсе не требуются большие обороты, он вполне может исправно работать и при малых нагрузках. То есть даже при минимальном действии силы направленной на него, шаговый двигатель отлично вырабатывает энергию. Самое главное, что этой энергии вполне хватит на различные нужды, вроде освещения дороги велосипедисту с помощью подключенного к шаговому двигателю фонаря.

К сожалению с обычным генератором стандартному велосипеду будут все же необходимы начальные обороты, до того как фонарик начнет испускать лучи достаточно яркого света для четкого освещения пути. Но при использовании шагового двигателя этот недостаток удаляется сам собой, то есть освещение будет подаваться сразу как только начнется вращение колеса.

Но правда у этой чудо конструкции все же будет ряд недочетов. Например наиболее явный из них, это большое магнитное залипание. Но на самом деле это не так страшно для велосипедиста.

Что приступая к работе нам будет необходимо найти некоторые детали:
1) Собственно сам шаговый двигатель.
2) парочка конденсаторов большой емкости.
3) светодиодные фонари
4) стабилизатор напряжения 5-6 вольт.

Найти шаговый двигатель довольно просто в силу того, что он весьма распространен во всех офисных приборах. Единственное что нужно понимать, это то, что чем больше шаговый двигатель — тем соответственно лучше для нас.

Тут будет описано и представлено несколько моделей шаговых двигателей и различные варианты их крепления к железному коню.
Для начала возьмем самый большой двигатель, что удалось раздобыть автору. Он демонтировал его из обычного офисного плоттера для печати(по сути это принтер, только в несколько раз большего размера).

Внешне двигатель довольно велик.

Но прежде чем приступить к изучению схемы стабилизации так же схемы питания, стоит обратить внимание на методику крепления этого агрегата к велобайку.

Если взгляните на рисунок, то поймете, что генератор расположен ближе к оси колеса и вращение передается от дополнительного круга.

И все же так как модель велосипеда у каждого своя и кто-то не захочет повреждать раму саморезами, вам будет нужно самому разработать крепление а так же круг вращения, вариантов тут действительно много.

Если же вы не представляете себе как прикрутить большой шаговый двигатель к конструкции, есть вариант поменьше:


Вам остается только выбрать вариант генератора, подходящего под размеры вашего транспортного средства.

Чтож когда с шаговыми двигателями разобрались, можно приступить и к фонарям и цепям питания.


Фонари необходимо взять светодиодные. схема выпрямления будет выглядеть так: блок выпрямительных диодов, несколько конденсаторов большой ёмкости и естественно стабилизатор напряжения. В принципе это стандартная схема питания.

Шаговый двигатель стандартно имеет на выходе четыре проводка, которые соответствуют двум катушкам. именно по этой причине на изображении выпрямительных блока тоже два. Этот самодельный генератор электричества вполне может выдавать аж до 50 вольт напряжения на больших оборотах, так что, конденсаторы лучше взять соответственные(напряжение выше 50). Ну а стабилизатор на напряжение 5-6 вольт.

И так в чем же суть самоделки, и почему она понадобилась?

Все дело в его преимуществе, даже только тронувшись с места- вам путь будет уже ярко освещен фонарем, запитанным от нашего шагового двигателя- он же генератор.

Так же хотелось бы отметить, что в процессе движения фонарь не будет мигать или тухнуть- освещение будет плавным и ровным.

принцип действия, виды, режимы работы

Шаговый двигатель – электрический синхронный мотор, совершающий оборот некоторым количеством равноценных эквивалентных перемещений. От длины элементарного сегмента зависит точность, с которой ротор позиционируется нужным образом. В отдельности минимальное перемещение называется шагом.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

  1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
  2. Гибридные синхронные двигатели.
  3. Вентильные реактивные двигатели.
  4. Шаговые двигатели Лавета.

Полюсы различной намотки, к примеру, унифилярной, бифилярной (см. Катушка индуктивности). В первом случае ротор совершает обороты однонаправленно, если не предусмотреть дополнительную коммутацию фаз. Бифилярный двигатель отрабатывает реверс простой подачей напряжения на другие пары контактов. На каждом полюсе нить проволоки намотана, образуя две катушки. Конструкция такова, что знаки полей противоположные. Обеспечивает простую организацию реверса. Схожие схемы видим на примере двигателя привода барабана стиральной машины.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

  1. Красный, желтый – первая обмотка.
  2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.
  1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
  2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

  1. Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
  2. В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют одновременно два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Потом первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.

    Электрический синхронный мотор

  3. Микрошаговые режимы считаются искусными ноу-хау наработками конкретных производителей. Режимом заправляет специальный чип, генерирующий управляющие напряжения, чтобы точность позиционирования вала находилась в районе сотой шага (20000 перемещений на 1 оборот). Подобные изыски нужны микроэлектронике, не исключено возникновение потребности тонких технических решениях среди промышленных конвейеров. Драйвер генерирует 50 с лишним тысяч циклов управляющих напряжений на оборот.

Шаговые двигатели на постоянном магните

Род двигателей возможно встретить в помпе стиральной машины. К примеру, блок, удаляющий воду бака после стирки, между отдельными этапами цикла. Скорость вращения вала невелика, ротор в составе содержит постоянный магнит, шаг большой. Допустим, 45 градусов. На обмотки статора поочередно подается напряжение, создавая вращающееся магнитное поле. Постоянный магнит вала следует изменениям вектора напряженности.

Достоинствами шаговых двигателей назовем простоту, низкую стоимость. Постоянные магниты часто применяются принтерами. Отличие от других шаговых двигателей: ротор лишен зубцов, полюсов мало. Бывает два, катушек статора – 4, каждым перемещением вал совершает поворот 90 градусов. Требуется 4 фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Драйвер просто реализовать при помощи конденсаторов.

Благодаря низкой скорости оборотов двигатель развивает высокий крутящий момент (загружая бумагу из лотка принтера).

Двигатель с постоянным магнитом

Гибридные синхронные двигатели

Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по причине развития высокого крутящего момента, хорошо держат статическую нагрузку. Вал по-прежнему представлен постоянным магнитом, снабжается зубцами, на статоре множество полюсов. Тип двигателей обеспечивает высокие скорости вращения. Каждый шаг в стандартном исполнении равен 1,8 угловых градусов (200 шагов/оборот). Выпускают специализированные исполнения:

  • 0,9 градуса (400 шагов/оборот).
  • 3,6 градуса (100 шагов/оборот).

Вентильные шаговые двигатели

Главным отличием вентильных двигателей считают отсутствие тяжелых постоянных магнитов. Благодаря чему жесткой фиксации положения не происходит при наличии высокой точности. Двигатели идеальны для просмотра слайдов кинопленки. Относительно плавное, точное движение идеально подходит случаю.

Ротор облегченный, стальной, имеет ярко выраженные, сравнительно немногочисленные зубцы. Шаг средний, например, для трех фаз, 12 полюсов выйдет 15 градусов. Расстояние меж полюсами составляет 30 градусов. Промежуточные положения вал занимает в случаях, когда активируются одновременно две соседние фазы. Чередование соответствует обычной промышленной сети (к примеру, 400 вольт).

Главной особенностью вентильных двигателей является сравнительно малое количество тупых зубцов. Высокой точности позиционирования ожидать не приходится. Для реализации продвинутых алгоритмов применяются сложные драйверы.

Шаговые двигатели Лавета

Шаговые двигатели Лавета временами применяются электрическими часами. Сконструированы работать с сигналом одной фазы. Благодаря возможности миниатюризации двигатели Лавета послужат исполнительной частью наручных часов. Название устройства получили именем изобретателя – инженера Мариуса Лавета.

Инженер Мариус Лавет позавидует

В 1936 году выпускник Высшей школы электрики сконструировал двигатель, принесший всемирную известность. Статор выглядит, как у электрического мотора с расщепленными полюсами. Одна катушка. Полюсы образованы единичными витками сравнительно толстой медной проволоки, расположенными на магнитопроводе, создавая нужную фазу ЭДС. Индуцированные токи обеспечивают нужный крутящий момент. Задержка распространения магнитного поля по сердечнику используется сдвигать фазу на 90 градусов, имитируя двухфазное напряжение. Ротор представлен постоянным магнитом.

Конструкции охотно используются бытовой техникой (блендерами, миксерами). Отличие двигателей Лавета в том, что благодаря зубцам вал фиксируется с некоторым шагом. Становится возможным характерное движение секундной стрелки. Как большинство шаговых двигателей, разновидность не предназначена работать на реверс.

Параметры шаговых двигателей

Отдельные параметры шаговых двигателей критичны при выборе соответствующего контроллера, формирующего управляющие напряжения:

  1. Индуктивность. Высокое значение параметра обычно у низкоскоростных двигателей с явным крутящим моментом. При повышении количества оборотов вала параметры оборудования непременно ухудшатся. При низкой индуктивности ток вызывает быстрый отклик, требуется в приводах для чтения оптических дисков.
  2. Потребляемый ток влияет на жесткость переключения меж соседними шагами. Более плавный режим требует снижения параметра. Большой потребляемый ток повышает крутящий момент. Таким образом, правильный выбор параметров загружает плечи проектировщика.
  3. Предельный уровень рабочих температур шаговых двигатель невелик. Верхняя граница находится в области 90 градусов Цельсия. Перегрев возможен на высоких крутящих моментах при значительном потреблении тока. Для разгрузки иногда применяется режим удержания, когда вал стопорится некоторое время.

Разновидности драйверов шаговых двигателей

В глобальном смысле выделяют три группы драйверов управления шаговыми двигателями:

  1. Униполярные формируют импульсы тока одного направления. Простой, неприхотливый метод, использование снижает крутящий момент на 40%. Специалисты объясняют феномен невозможностью одновременного питания всех обмоток, способных участвовать в движении. Методика подходит низким рабочим скоростям.
  2. Драйверы с гасящими резисторами сегодня считаются устаревшими. Позволяют выжать из двигателя максимум скорости. Большое количество энергии выделяется теплом на гасящих резисторах.
  3. Биполярные драйверы популярны сегодня. Игнорируя сложность конструкции, достигается высокая эффективность. Каждый драйвер содержит формирующий блок, составленный четырьмя транзисторами. Питание подается, минуя диоды, с резистора снимается сигнал обратной связи. Напряжение достигает определенного уровня, открываются нужные ключи для снижения. Форма сигнала принимает пилообразную форму, двигатель с высоким постоянством поддерживает заданную мощность.

Шаговый двигатель, Китай Шаговый двигатель каталог продукции Сделано в Китае

Цена FOB для Справки: 12,00-18,00 $ / шт.
MOQ: 50 шт.

  • Скорость: Низкая скорость
  • Количество статора: Двухфазный
  • Режим возбуждения: HB-Гибрид
  • функция: Управления,Вождение
  • Количество поляков: 4
  • Управляйте режим: Трехфазный Трехступенчатый
  • Поставщики с проверенными бизнес-лицензиями

    Поставщики, проверенные инспекционными службами

    Greensky Power Company Limited
  • провинция: Zhejiang, China

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

   Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель.

   Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя 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.

Типы шаговых двигателей

   Существуют три основных типа шаговых двигателей: переменной индуктивности, двигатели с постоянными магнитами, и гибридные двигатели.

   Двигатели переменной индуктивности используют только генерируемое магнитное поле на центральном валу, заставляющее вращаться и находиться на одной линии с напряжением электромагнитов.

   Двигатели с постоянными магнитами похожи на них, за исключением того, что центральный вал поляризован у северного и южного магнитных полюсов, которые будут соответствующим образом поворачивать его в зависимости от того, какие электромагниты включены.

   Гибридный мотор — это сочетание двух предыдущих. У его намагниченного центрального вала имеется два набора зубов для двух магнитных полюсов, которые затем выстраиваются в линию с зубами вдоль электромагнитов. В связи с двойным набором зубов на центральном валу, гибридный двигатель имеет наименьший доступный размер шага и поэтому является одним из наиболее популярных типов шаговых двигателей.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

   Также существует ещё два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. На фундаментальном уровне, эти два типа работать точно так же; электромагниты включены в последовательном виде, заставляя центральный вал двигателя вращаться.

   Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса — положительный и отрицательный.

   То есть фактическая разница между этими двумя типами заключается в том, что для однополярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, что позволит току проходить либо к одному концу катушки, либо другому. Эти два противоположных направления производят две полярности магнитного поля, фактически имитируя как положительные, так и отрицательные напряжения.

   Хотя оба они имеют общий уровень питающих напряжений 5V, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, производя более сильное магнитное поле. С другой стороны, униполярные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в середине катушки, а значит меньший крутящий момент доступен для удержания вала на месте.

Подключение шаговых двигателей

   Разные шаговые двигатели могут иметь разное количество проводов, как правило, 4, 5, 6, или 8. 4-х проводные линии могут поддержать только биполярные шаговые двигатели, поскольку у них нет центрального провода.

   5-ти и 6-ти проводные механизмы могут быть использованы как для однополярного, так и биполярного шагового двигателя, в зависимости от того, используется центральный провод на каждой из катушек или нет. 5-ти проводная конфигурация подразумевает, что центральные провода на два комплекта катушек соединены внутри между собой.

Способы управления шаговыми двигателями

   Есть несколько различных способов управления шаговыми двигателями — полный шаг, полушаг, и микрошаговый. Каждый из этих стилей предлагают различные крутящие моменты, шаги и размеры.

   Полный шаг — такой привод всегда имеет два электромагнита. Для вращения вала, один из электромагнитов выключается и далее электромагнит включен, вызывая вращение вала на 1/4 зуба (по крайней мере для гибридных шаговых двигателей). Этот стиль имеет самый сильный момент вращения, но и самый большой размер шага.

   Полшага. Для вращения центрального вала, первый электромагнит находится под напряжением, как первый шаг, затем второй также под напряжением, а первый все еще работает на второй шаг. При третьем шаге выключается первый электромагнит и четвертый шаг — поворот на третий электромагнит, а второй электромагнит по-прежнему работает. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.

   Микрошаговый имеет наименьший размер шага из всех этих стилей. Момент вращения, связанный с этим стилем, зависит от того, как много тока, протекает через катушки в определенное время, но он всегда будет меньше, чем при полном шаге.

Схема подключения шаговых двигателей

   Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер. Контроллер — схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Схемы управления достаточно сложны, по сравнению с обычными электромоторчиками, и имеют много особенностей. Подробно рассматривать тут мы их не будем, а просто приведём фрагмент популярного контроллера на ULN2003A.

   В общем шаговые двигатели являются отличным способом для того, чтобы повернуть что-то в точный размер угла с большим количеством крутящего момента. Другое преимущество их в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

Originally posted 2018-11-23 11:47:42. Republished by Blog Post Promoter

Драйверы шаговых двигателей

: пошаговое руководство | Ведущий промышленный

Что такое драйвер шагового двигателя?

Драйвер шагового двигателя — это схема драйвера, которая позволяет шаговому двигателю работать так, как он есть. Например, шаговые двигатели требуют достаточной и контролируемой энергии для фаз в точной последовательности. В связи с этим шаговые двигатели считаются более совершенными, чем типичный двигатель постоянного тока.

Несмотря на то, что система может показаться сверхсложной, ее можно построить с помощью нескольких транзисторов.Организовав их функции включения и выключения надлежащим образом, система способна обеспечить достаточную мощность фаз, а двигатель может выполнять этот процесс поэтапно. Униполярный драйвер можно сделать в рамках приличного бюджета. Важно помнить, что этот драйвер сможет питать только униполярные двигатели. Если вы хотите подключить биполярный двигатель, вам понадобятся два полных моста. Это позволяет системе возвращать ток на ступени. Их изготовление может оказаться более сложным, но вы можете приобрести чипы H-bridge, чтобы упростить процесс.

Как работают драйверы шаговых двигателей?

Драйверы шаговых двигателей полагаются на входные данные из отдельного источника для функционирования и создания выходных данных.

Следующие четыре сигнала управляют двигателем:

  1. ЧАСЫ: Тактовый сигнал дает команду пошагового выполнения.
  2. СБРОС: Устанавливает сигналы конечного уровня в заданное начальное положение.
  3. НАПРАВЛЕНИЕ: Определяет направление вращения оси двигателя.
  4. ПОЛУШАГ/ПОЛНЫЙ: Определяет, работать ли в полном или полушаге.

Дешевый способ питания простого шагового двигателя — через микроконтроллер. Этого достаточно, поскольку этим драйверам для работы требуется всего пара сигналов. Первый сигнал шага, а второй сигнал направления. Последний, при высоком логическом уровне +5 В, сообщает двигателю направление работы. Когда сигнал низкий (GND), он движется в противоположном направлении.

Для полного шага обычно требуется два прямоугольных сигнала в квадратуре . В зависимости от ведущей фазы ось двигателя будет вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.Вращение пропорционально тактовой частоте, которая управляет импульсом на линии. Это GND и +5V, о которых упоминалось ранее. Таким образом, в зависимости от DIP-переключателей настройки разрешения шага, двигатель будет переходить от одного положения шага к другому. Например, если он установлен в полношаговый режим, будет сделан полный шаг, и половина полного шага, если двигатель установлен в полушаговый режим, и четверть шага для четвертьшага и так далее.

Из-за инерции вы должны линейно увеличивать и уменьшать импульсы, чтобы синхронизироваться с магнитным полем.В противном случае двигатель может заглохнуть. Рампа также должна быть плавной и практически не двигаться, чтобы двигатель не заглох.

Как соединить драйверы с двигателями?

Крайне важно, чтобы драйвер соответствовал правильному двигателю. Если все сделано неправильно, производительность двигателя будет недостаточной, или он может даже повредить одну часть или обе.

При поиске подходящих двигателей и драйверов обязательно учитывайте ограничения по напряжению и максимальный ток, который может обеспечить драйвер.Обязательно учитывайте «непрерывный» номинальный ток, а не «пиковый» номинальный ток, поскольку они не применимы к шаговым двигателям. Что касается двигателя, убедитесь, что он может принимать ампер на фазу и сопротивление на фазу, которые обеспечивает драйвер. Кроме того, номинальный постоянный ток драйвера должен быть больше, чем номинальный ток двигателя.

Часто указывается напряжение, но не всегда. Вы можете использовать закон Ома , чтобы рассчитать его и убедиться, что ваш процесс дает продуктивные результаты.Умножьте это на 20, чтобы получить максимальное рабочее напряжение драйвера двигателя. Если напряжение катушки не указано, квадратный корень из индуктивности двигателя (мГн) можно умножить на 32, чтобы получить напряжение питания.

Это показано ниже.

Например, если в характеристиках двигателя указано, что номинальное напряжение составляет 3 В (3 В * 20 = 60 В), можно безопасно управлять двигателем с драйвером с максимальным рабочим напряжением 60 В.

Пример 2, если в характеристиках двигателя указано, что фазный ток и сопротивление равны 5 А и 0.6 Ом, (5 А * 0,6 Ом = 3 В * 20 = 60 В).

Пример 3, если в характеристиках двигателя указано, что индуктивность/фаза составляет 2,5 мГн ((√2,5) * 32 = 50,6 В), можно безопасно использовать двигатель с рабочим драйвером на 50 В. Внедрение значения индуктивности фаз дает консервативное номинальное напряжение, так как это очень точный расчет максимального напряжения питания .

Управление шаговым двигателем не должно быть сложным

Хотя процесс настройки шагового двигателя может показаться сложным, при наличии терпения и правильного руководства этот процесс может быть довольно простым.Использование микроконтроллера — эффективный способ управления двигателем, поскольку для работы драйверу требуется всего несколько сигналов. Сопряжение двигателей с драйверами также может быть простым. Установив номинальный постоянный ток, ампер на фазу и используя закон Ома для расчета напряжения, вы можете успешно соединить двигатель и драйвер.

Соединив драйвер с шаговым двигателем, вы сможете подавать ток на двигатель, чтобы убедиться, что он работает так, как вы хотите. Установив эту точность, вы теперь можете выполнять проекты, требующие строгого контроля скорости и точности.

Источники: https://learn.adafruit.com/all-about-stepper-motors/driving-a-stepper

Что вы должны знать о шаговых двигателях

Некоторые работы требуют, чтобы вы делали что-то шаг за шагом, а некоторые работы требуют того же от оборудования. В то время как многие двигатели работают просто как «включено» или «выключено», другие двигатели для высокоточных работ работают дискретными шагами по команде пользователя. Мы называем эти устройства шаговыми двигателями из-за их концентрации на пошаговой работе.Вот немного того, что вы должны знать о шаговых двигателях, от того, как они работают, когда они требуются, до того, когда вам нужно будет рассмотреть их поближе.

Устройство шагового двигателя

Шаговые двигатели основаны на принципе электромагнетизма. Большинство шаговых двигателей используют постоянные магниты в своем сердечнике с намагниченным ротором, который притягивается к их статору или корпусу. В шаговом двигателе с переменным сопротивлением ротор не является постоянным магнитом, а его статор намагничен.Это позволяет работать на более высоких скоростях, чем его аналог с постоянными магнитами. Гибридные двигатели синтезируют эти два подхода с двумя намагниченными роторами противоположной полярности и электромагнитным статором. В отличие от двигателей, работающих на переменном токе, шаговые двигатели работают на постоянном токе, однонаправленном потоке электричества. При работе от постоянного тока двигатель может обеспечить более высокую эффективность и точность, чем при работе от переменного тока.

Где мы их используем

Работы, требующие тяжелой работы с легким прикосновением, используют шаговые двигатели.Высокий крутящий момент и точность шаговых двигателей являются неотъемлемой частью автоматизации и робототехники, которые часто требуют точных движений. Точно так же шаговые двигатели питают 3D-принтеры и фрезерные станки с ЧПУ, которые должны совершать точные и точные движения. Игрушки с батарейным питанием также часто работают на шаговых двигателях. Даже в некоторых жестких дисках используются шаговые двигатели для перемещения головок, которые считывают и записывают данные на диск. Короче говоря, любое приложение, которое требует тщательного контроля скорости и движения, скорее всего, будет связано со сложностями, которые обеспечивает шаговый двигатель.

Что может пойти не так

Одним из положительных аспектов использования шаговых двигателей является то, что они не требуют регулярного обслуживания на месте. Поскольку степперы не имеют щеток, со временем они изнашиваются гораздо меньше. Однако это означает, что если шаговый двигатель выйдет из строя, вряд ли вы сможете решить эту проблему самостоятельно. Независимо от того, потерял ли магнит заряд, двигатель засорился мусором или износ от регулярного использования просто настиг компоненты, такой ремонт не следует брать на себя, так как неопытные руки могут навсегда отключить магнит шагового двигателя.К счастью, специалисты Moley Magnetics по магнетизму могут отремонтировать ваш двигатель постоянного тока, избавив вас от затрат на полную замену.

Шаговые двигатели | Двигатели переменного тока

Шаговый двигатель

и серводвигатель

Шаговый двигатель — это «цифровая» версия электродвигателя. Ротор движется дискретными шагами в соответствии с командой, а не вращается непрерывно, как обычный двигатель. В остановленном, но включенном состоянии шаговый двигатель (сокращение от шагового двигателя) удерживает нагрузку с удерживающим моментом .

Широкое распространение шагового двигателя за последние два десятилетия было обусловлено развитием цифровой электроники. Современная твердотельная электроника драйвера была ключом к его успеху. И микропроцессоры легко взаимодействуют со схемами драйвера шагового двигателя.

С точки зрения применения предшественником шагового двигателя был серводвигатель. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением. Дороговизна и сложность серводвигателя связаны с дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибки). Это по-прежнему способ позиционирования тяжелых грузов, недоступный шаговым двигателям меньшей мощности.

Высокое ускорение или необычайно высокая точность требуют серводвигателя. В противном случае по умолчанию используется шаговый двигатель из-за простой электроники привода, хорошей точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.

 

Шаговый двигатель и серводвигатель

 

Шаговый двигатель позиционирует головки чтения-записи в дисководе. Когда-то они использовались для той же цели в жестких дисках. Однако высокая скорость и точность, необходимые для позиционирования головок современных жестких дисков, требуют использования линейного серводвигателя (звуковой катушки).

Сервоусилитель представляет собой линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретными компонентами. Значительные усилия по проектированию требуются для оптимизации коэффициента усиления сервоусилителя в зависимости от фазовой характеристики механических компонентов. Драйверы шаговых двигателей представляют собой менее сложные полупроводниковые переключатели, которые могут быть либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя менее сложен и дорог, чем контроллер серводвигателя.

Синхронные двигатели Slo-syn могут работать от сети переменного тока, как однофазные асинхронные двигатели с постоянными конденсаторами.Конденсатор генерирует вторую фазу 90 °. При постоянном сетевом напряжении имеем двухфазный привод.

Управляющие сигналы биполярные (±) прямоугольные волны 2-24 В более распространены в наши дни. Биполярные магнитные поля также могут генерироваться однополярными напряжениями (одна полярность), приложенными к чередующимся концам обмотки с отводом от середины (рисунок ниже).

Другими словами, постоянный ток можно переключить на двигатель, чтобы он воспринимал переменный ток. Поскольку обмотки возбуждаются последовательно, ротор синхронизируется с последующим магнитным полем статора.Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронных двигателей переменного тока.

 

Униполярный привод катушки с отводом от середины на (b), эмулирует переменный ток в одиночной катушке на (a)

 

Характеристики

Шаговые двигатели

прочны и недороги, поскольку ротор не содержит контактных колец обмотки или коллектора. Ротор представляет собой твердое цилиндрическое тело, которое также может иметь выступающие полюса или мелкие зубья. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит.

Вы можете определить, что ротор представляет собой постоянный магнит, по вращению руки без привода, показывая фиксирующий крутящий момент , пульсации крутящего момента. Катушки шагового двигателя намотаны внутри ламинированного статора, за исключением конструкции , которая может составлять стопку . Может быть всего две фазы обмотки или целых пять.

Эти фазы часто разбиваются на пары. Так, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, составленные из последовательно расположенных пар полюсов, отстоящих друг от друга на 90 °. Также может быть несколько пар полюсов на фазу.Например, 12-полюсный шаговый двигатель имеет 6 пар полюсов, по три пары на фазу.

Поскольку шаговые двигатели не обязательно вращаются непрерывно, номинальной мощности не существует. Если они вращаются непрерывно, они даже не приближаются к номинальной мощности в доли лошадиных сил. Это действительно небольшие маломощные устройства по сравнению с другими двигателями.

Они имеют номинальный крутящий момент до тысячи дюймов-унций (дюйм-унций) или десяти Н-м (ньютон-метров) для устройства размером 4 кг. Небольшой степпер размером с монету имеет крутящий момент в сотые доли ньютон-метра или несколько дюймов на унцию.Большинство степперов имеют диаметр в несколько дюймов с крутящим моментом в несколько миллиметров или несколько дюймов в унциях.

Доступный крутящий момент является функцией скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и электроники привода, как показано на кривой зависимости скорости от крутящего момента ниже. Шаговый двигатель, находящийся под напряжением, имеет относительно высокий удерживающий момент . Для работающего двигателя доступен меньший крутящий момент, уменьшающийся до нуля на некоторой высокой скорости.

Эта скорость часто недостижима из-за механического резонанса комбинации нагрузки двигателя.

 

Характеристики скорости шагового двигателя

 

Шаговые двигатели перемещаются на один шаг за раз, угол шага при изменении формы сигнала привода. Угол шага связан с деталями конструкции двигателя: количеством витков, количеством полюсов, количеством зубьев. Оно может быть от 90 ° до 0,75 °, что соответствует от 4 до 500 шагов на оборот.

Электроника привода может уменьшить угол шага вдвое, перемещая ротор за полушагов .

Шаговые двигатели не могут мгновенно достигать скоростей на кривой скорость-крутящий момент. Максимальная начальная частота — это наивысшая скорость, с которой может быть запущен остановленный и ненагруженный шаговый двигатель. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым.

На практике скорость шага увеличивается во время пуска со значительно меньшей максимальной пусковой частоты. При остановке шагового двигателя скорость шага может быть уменьшена перед остановкой.

Максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускаться и останавливаться, равен крутящему моменту .Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель возникает из-за фрикционной (тормозной) и инерционной (маховик) нагрузок на вал двигателя. Как только двигатель набирает скорость, крутящий момент вытягивания является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: с переменным магнитным сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные. Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет прочный ротор из мягкой стали с выступающими полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет цилиндрический ротор с постоянными магнитами.

Гибридный шаговый двигатель имеет зубья из мягкой стали, добавленные к ротору с постоянными магнитами для уменьшения угла шага.

 

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением использует магнитный поток, ищущий путь с наименьшим сопротивлением через магнитную цепь. Это означает, что магнитомягкий ротор неправильной формы будет двигаться, чтобы замкнуть магнитную цепь, минимизируя длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением.

Статор обычно имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, ротор — четыре явно выраженных полюса, что дает угол шага 30 ° .Обесточенный степпер без фиксирующего крутящего момента при вращении вручную идентифицируется как степпер с переменным сопротивлением.

 

Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с переменным сопротивлением

 

Осциллограммы привода шагового двигателя 3-φ можно увидеть в разделе «Реактивный двигатель». Привод для шагового двигателя 4-φ показан на рисунке ниже. Последовательное переключение фаз статора создает вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор.

Однако из-за меньшего количества полюсов ротора ротор перемещается на меньший угол, чем угол статора для каждого шага. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением угол шага определяется как:

 

 ΘS = 360°/NS ΘR = 360°/NR ΘST = ΘR - ΘS, где: ΘS = угол статора, ΘR = угол ротора, ΘST = угол шага NS = количество полюсов статора, NP = количество полюсов ротора 

 

Шаговая последовательность для шагового двигателя с переменным сопротивлением

 

На рисунке выше переход от φ1 к φ2 и т. д., магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор движется против часовой стрелки (CCW). Обратите внимание, что не происходит! Пунктирный зубец ротора не перемещается к следующему зубцу статора. Вместо этого поле статора φ2 притягивает другой зубец при движении ротора против часовой стрелки, угол которого меньше (15 ° ), чем угол статора 30 ° .

Угол зуба ротора 45 ° входит в расчет по вышеприведенному уравнению. Ротор переместился против часовой стрелки к следующему зубу ротора на 45 ° , но он выровнен с часовой стрелкой на 30 ° зубца статора.Таким образом, действительный угол шага представляет собой разницу между углом статора 45 ° и углом ротора 30 °.

Как далеко мог бы повернуться шаговый двигатель, если бы ротор и статор имели одинаковое количество зубьев? Ноль — без обозначений.

При пуске в состоянии покоя с включенной фазой φ1 требуется три импульса (φ2, φ3, φ4), чтобы совместить «пунктирный» зубец ротора со следующим зубцом статора против часовой стрелки, который составляет 45 ° . При 3 импульсах на зубец статора и 8 зубцах статора 24 импульса или шага перемещают ротор на 360 ° .

При изменении последовательности импульсов направление вращения меняется на правое. Направление, скорость шага и количество шагов контролируются контроллером шагового двигателя, питающим драйвер или усилитель. Это может быть объединено в одну печатную плату.

Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Драйвер представляет собой не линейный усилитель, а простой двухпозиционный переключатель, способный выдавать достаточно большой ток для питания шагового двигателя. В принципе, драйвером может быть реле или даже тумблер для каждой фазы.На практике драйвер представляет собой либо дискретные транзисторные ключи, либо интегральную схему.

Драйвер и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую прямую команду и шаговый импульс. Он последовательно выводит ток на соответствующие фазы.

 

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

 

Вы можете разобрать реактивный шаговый двигатель, чтобы увидеть его внутренние компоненты. Внутренняя конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением показана на рисунке выше.Ротор имеет выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полю статора при его переключении. Реальный двигатель намного длиннее нашей упрощенной иллюстрации.

 

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением приводит в движение ходовой винт

 

Вал часто снабжен приводным винтом (рисунок выше). Это может привести к перемещению головок дисковода по команде контроллера дисковода.

Шаговые двигатели с переменным сопротивлением

применяются, когда требуется только умеренный уровень крутящего момента и достаточно крупный угол шага.Винтовка, используемая в дисководе для гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положение каретки.

Однако он может перемещать каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, в котором кромка ножа режет прерыватель, как «исходное положение». Контроллер отсчитывает шаговые импульсы от этого положения. Пока крутящий момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

 

Резюме: шаговый двигатель с переменным сопротивлением

  • Ротор представляет собой цилиндр из мягкого железа с явно выраженными (выступающими) полюсами.
  • Это самый простой и недорогой шаговый двигатель.
  • Единственный тип шагового двигателя без фиксирующего момента при ручном вращении обесточенного вала двигателя.
  • Угол большого шага
  • Ходовой винт часто крепится к валу для линейного шагового движения.

 

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет цилиндрический ротор с постоянными магнитами. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут иметь отвод от центра, чтобы обеспечить однополярную схему драйвера , в которой полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения с одного конца обмотки на другой.

Для питания обмоток без центрального ответвления требуется двухполярный привод переменной полярности . Шаговый двигатель с чистым постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. При вращении вала обесточенного двигателя возникает стопорный момент. Если угол фиксации большой, скажем, от 7,5 ° до 90 ° , скорее всего, это шаговый двигатель с постоянными магнитами, а не гибридный шаговый двигатель.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами требуют фазированных переменных токов, подаваемых на две (или более) обмотки.На практике это почти всегда прямоугольные волны, генерируемые твердотельной электроникой из постоянного тока.

Биполярный привод представляет собой прямоугольные волны, чередующиеся между (+) и (-) полярностью, скажем, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на развиваемые катушки от пары положительных прямоугольных волн, подаваемых на противоположные концы катушки с отводом от центра. Синхронизация биполярной или униполярной волны — волновой драйв, полный шаг или полушаг.

Волновой привод

 

Последовательность волновых приводов PM (a) φ1+ , (b) φ2+ , (c) φ1- , (d) φ2-

 

Концептуально простейшим приводом является волновой привод .Последовательность вращения слева направо: положительная φ-1 указывает на северный полюс ротора вверх, (+) φ-2 указывает на север на правый ротор, отрицательная φ-1 притягивает ротор на север вниз, (-) φ-2 указывает на ротор влево. Приведенные ниже формы сигналов волнового привода показывают, что только одна катушка находится под напряжением в каждый момент времени. Несмотря на простоту, это не дает такого большого крутящего момента, как другие методы привода.

 

Сигналы: биполярный волновой привод

 

Сигналы (рисунок выше) являются биполярными, поскольку обе полярности (+) и (-) управляют шаговым двигателем.Магнитное поле катушки меняется на противоположное, потому что меняется полярность управляющего тока.

 

Волновые формы: униполярный волновой привод

 

Сигналы (рисунок выше) являются однополярными, поскольку требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует в два раза больше драйверов. Форма волны вдвое больше, потому что для создания переменного магнитного поля требуется пара (+) волн путем приложения к противоположным концам катушки с отводом от центра.

Для двигателя требуются переменные магнитные поля. Они могут создаваться либо униполярными, либо биполярными волнами. Однако катушки двигателя должны иметь центральные отводы для униполярного привода.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами изготавливаются с различными конфигурациями выводов.

 

Схемы подключения шагового двигателя

 

  • 4-проводной двигатель может управляться только биполярными сигналами.
  • 6-проводной двигатель, наиболее распространенный, предназначен для униполярного привода из-за центральных отводов.Тем не менее, он может управляться биполярными волнами, если игнорировать центральные касания.
  • 5-проводной двигатель может приводиться в действие только униполярными волнами, так как общий средний отвод мешает, если обе обмотки находятся под напряжением одновременно.
  • 8-проводная конфигурация встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен для униполярного привода, как для 6-проводного или 5-проводного двигателя. Пара катушек может быть соединена последовательно для высоковольтного биполярного слаботочного привода или параллельно для низковольтного сильноточного привода.

Бифилярная обмотка производится путем намотки катушек двумя проводами параллельно, часто красным и зеленым эмалированным проводом. Этот метод обеспечивает точное соотношение витков 1:1 для обмоток с центральным отводом. Этот метод обмотки применим ко всем схемам, кроме 4-проводной, описанной выше.

 

Полношаговый привод

Полношаговый привод обеспечивает больший крутящий момент, чем волновой привод, поскольку обе катушки запитываются одновременно. Это притягивает полюса ротора на полпути между двумя полюсами поля.(Рисунок ниже)

 

Полный шаг, биполярный привод

 

Полношаговый биполярный привод, как показано выше, имеет тот же угол шага, что и волновой привод. Униполярный привод (не показан) потребует пары униполярных сигналов для каждой из вышеупомянутых биполярных сигналов, подаваемых на концы обмотки с отводом от центра. В униполярном приводе используется менее сложная и менее дорогая схема привода. Дополнительные затраты на биполярный привод оправданы, когда требуется больший крутящий момент.

 

Полушаговый привод

Угол шага для заданной геометрии шагового двигателя уменьшается вдвое с помощью привода с половинным шагом . Это соответствует удвоенному количеству шаговых импульсов на один оборот. (Рисунок ниже) Половина шага обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Например, полушаговый двигатель, перемещающий печатающую головку по бумаге струйного принтера, удвоит плотность точек.

 

Полушаг, биполярный привод

 

Полушаговый привод представляет собой комбинацию волнового привода и полношагового привода, при котором одна обмотка находится под напряжением, а затем обе обмотки под напряжением, что дает в два раза больше шагов.Формы униполярных сигналов для полушагового привода показаны выше. Ротор выровнен с полюсами поля, как для волнового привода, и между полюсами, как для полношагового привода.

Микрошаг возможен со специализированными контроллерами. Изменяя синусоидально токи в обмотках, можно интерполировать множество микрошагов между нормальными положениями. Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами значительно отличается от приведенных выше рисунков.

Желательно увеличить количество полюсов сверх указанного, чтобы получить меньший угол шага.Также желательно уменьшить количество обмоток или хотя бы не увеличивать количество обмоток для простоты изготовления.

 

Строительство

Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами значительно отличается от приведенных выше рисунков. Желательно увеличить количество полюсов сверх показанного, чтобы получить меньший угол шага. Также желательно уменьшить количество обмоток или хотя бы не увеличивать количество обмоток для простоты изготовления.

 

Шаговый двигатель с постоянными магнитами, 24-полюсная сборная конструкция

 

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет только две обмотки, но при этом имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот стиль конструкции известен как может складывать . Фазная обмотка обернута оболочкой из мягкой стали с пальцами, сведенными к центру.

Одна фаза на переходной основе будет иметь северную сторону и южную сторону. Каждая сторона оборачивается к центру пончика двенадцатью встречно-пальцевыми пальцами, всего 24 полюса.Эти чередующиеся пальцы с севера на юг будут притягивать ротор с постоянными магнитами.

Если бы полярность фазы была обратной, то ротор прыгнул бы на 360 ° / 24 = 15 ° . Мы не знаем, в каком направлении, что не полезно. Однако, если мы запитаем φ-1, а затем φ-2, ротор переместится на 7,5 ° , потому что φ-2 смещен (повернут) на 7,5 ° от φ-1. См. ниже смещение. И он будет вращаться в воспроизводимом направлении, если фазы чередуются.

Применение любой из вышеперечисленных форм волны приведет к вращению ротора с постоянными магнитами.

Обратите внимание, что ротор представляет собой цилиндр из серой ферритовой керамики, намагниченный по показанной схеме с 24 полюсами. Это можно увидеть с помощью магнитной пленки или железных опилок, нанесенных на бумажную обертку. Тем не менее, цвета в фильме будут зелеными как для северного, так и для южного полюсов.

 

(a) Внешний вид штабеля банок, (b) Деталь смещения поля

 

Конструкция шагового двигателя с ПМ в виде штабеля банок отличается и легко идентифицируется по сложенным друг на друга «банкам» (рисунок выше).Обратите внимание на смещение вращения между двухфазными секциями. Это ключ к тому, чтобы заставить ротор следовать за переключением полей между двумя фазами.

 

Резюме: шаговый двигатель с постоянными магнитами

  • Ротор представляет собой постоянный магнит, часто ферритовую втулку, намагниченную многочисленными полюсами.
  • Конструкция Can-Stack обеспечивает множество полюсов из одной катушки с чередующимися пальцами из мягкого железа.
  • Угол шага от большого до среднего.
  • Часто используется в компьютерных принтерах для подачи бумаги.

 

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе характеристики шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом, что обеспечивает меньший угол шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси с радиальными зубьями из мягкого железа.

Катушки статора намотаны на чередующиеся полюса с соответствующими зубьями. Обычно между парами полюсов распределены две фазы обмотки.Эта обмотка может иметь отвод от центра для униполярного привода. Центральный отвод обеспечивается бифилярной обмоткой , парой проводов, намотанных физически параллельно, но соединенных последовательно.

Север-юг полюса полярности перестановки фаз, когда фазный ток инвертируется. Биполярный привод необходим для обмотки без ответвлений.

 

Гибридный шаговый двигатель

 

Обратите внимание, что 48 зубьев одной секции ротора смещены на полшага относительно другой.(См. детали полюсов ротора выше. Это смещение зубьев ротора также показано ниже.) Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности.

Это смещение позволяет выполнять вращение с шагом 1/96 оборота путем изменения полярности поля одной фазы. Двухфазные обмотки являются общими, как показано выше и ниже. Хотя фаз может быть целых пять.

Зубья статора на 8 полюсах соответствуют зубьям 48 ротора, за исключением отсутствующих зубьев в пространстве между полюсами.Таким образом, один полюс ротора, скажем, южный полюс, может совпадать со статором в 48 различных положениях. Однако зубы южного полюса смещены от северных зубов на ползуба.

Таким образом, ротор может совпадать со статором в 96 различных положениях. Это смещение половины зуба показано на детали полюса ротора выше или на рисунке ниже.

Как бы это не было достаточно сложно, основные полюса статора разделены на две фазы (φ-1, φ-2). Эти фазы статора смещены друг от друга на четверть зуба.Эта деталь видна только на схематических диаграммах ниже. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зуба, когда фазы поочередно запитываются.

Другими словами, ротор совершает 2×96=192 шага за один оборот для описанного выше шагового двигателя.

На приведенном выше рисунке показан реальный гибридный шаговый двигатель. Тем не менее, мы предоставляем упрощенное графическое и схематическое изображение, чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубцов в роторе и статоре для простоты.

На следующих двух рисунках мы попытаемся проиллюстрировать вращение на четверть зуба, вызванное смещением двух фаз статора на четверть зуба, и смещением на половину зуба ротора. Смещение статора на четверть зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.

 

Принципиальная схема гибридного шагового двигателя

 

Особенности схемы гибридного шагового двигателя
  • Верхняя часть ротора с постоянными магнитами — южный полюс, нижняя — север.
  • Зубья ротора север-юг смещены на половину зуба.
  • Если статор φ-1 временно находится под напряжением север вверху, юг внизу.
  • Верхние зубья статора φ-1 выровнены с севера по отношению к верхним южным зубьям ротора.
  • Нижние зубья статора φ-1’ выровнены с юга по отношению к нижним северным зубьям ротора.
  • Приложенный к валу крутящий момент, достаточный для преодоления удерживающего крутящего момента, приведет к перемещению ротора на один зуб.
  • Если бы полярность φ-1 была изменена на противоположную, ротор сместился бы на половину зуба, направление неизвестно.Выравнивание должно быть таким: южная вершина статора к северному низу ротора, северная нижняя часть статора к южному ротору.
  • Зубья статора φ-2 не выровнены с зубьями ротора, когда на φ-1 подается питание. Фактически зубья статора φ-2 смещены на четверть зуба. Это позволит повернуть на эту величину, если φ-1 обесточена, а φ-2 включена. Полярность φ-1 и привода определяют направление вращения.
  •  

Последовательность вращения гибридного шагового двигателя

 

Вращение гибридного шагового двигателя
  • Верх ротора с постоянным магнитом на юг, низ на север.Поля φ1, φ-2 переключаемые: вкл, выкл, реверс.
  • (a) φ-1=вкл.=север-верх, φ-2=выкл. Выровнять (сверху вниз): φ-1 статор-N:ротор-верх-S, φ-1’ статор-S: ротор-низ-N. Начальное положение, вращение=0.
  • (б) φ-1=выкл., φ-2=вкл. Выровнять (справа налево): φ-2 статор-N-справа: ротор-верх-S, φ-2’ статор-S: ротор-снизу-N. Вращение на 1/4 зуба, общее вращение = 1/4 зуба.
  • (c) φ-1=реверс(вкл.), φ-2=выкл. Выровнять (снизу вверх): φ-1 статор-S:ротор-снизу-N, φ-1’ статор-N:ротор-верх-S.Поверните 1/4 зуба от последнего положения. Полный оборот от начала: 1/2 зуба.
  • Не показано: φ-1=выкл., φ-2=реверс(вкл.). Выровнять (слева направо): Общее вращение: 3/4 зуба.
  • Не показано: φ-1=вкл., φ-2=выкл. (аналогично (а)). Выровнять (сверху вниз): Общее вращение 1 зуб.

Шаговый двигатель без источника питания с фиксированным крутящим моментом представляет собой либо шаговый двигатель с постоянными магнитами, либо гибридный шаговый двигатель. Гибридный степпер будет иметь небольшой угол шага, намного меньше, чем у 7.5 ° шаговых двигателей с постоянными магнитами. Угол шага может составлять доли градуса, что соответствует нескольким сотням шагов на оборот. Резюме: Гибридный шаговый двигатель

  • Угол шага меньше, чем у шаговых двигателей с переменным сопротивлением или с постоянными магнитами.
  • Ротор представляет собой постоянный магнит с мелкими зубьями. Северный и южный зубья смещены на половину зуба для меньшего угла шага.
  • Полюса статора имеют соответствующие мелкие зубья того же шага, что и ротор.
  • Обмотки статора разделены не менее чем на две фазы.
  • Полюса одной статорной обмотки смещены на четверть зуба для еще меньшего угла шага.

 

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Учебное пособие: основы шаговых двигателей

Прочитайте часть II этой статьи

Экономичные, легко интегрируемые и способные развивать высокий крутящий момент на низких скоростях, шаговые двигатели представляют собой хорошее решение для целого ряда приложений.

Хотя серводвигатели удовлетворяют широкий спектр потребностей в точном движении, для некоторых приложений шаговый двигатель представляет собой полезную альтернативу. Шаговый двигатель — это синхронный бесщеточный двигатель с цифровой функцией. В отличие от щеточных двигателей постоянного тока, которые вращаются постоянно, пока обмотки статора находятся под напряжением, шаговый двигатель работает на импульсном токе и с каждым импульсом совершает некоторую часть полного оборота. В результате они могут эффективно работать без замкнутой обратной связи.Система движения может позиционировать нагрузку с помощью шагового двигателя, просто управляя заданным количеством шагов. Шаговые двигатели особенно хорошо подходят для цифровых приводов и приложений. Надежные, экономичные и точные, они играют важную роль во всем: от жестких дисков с вращающимися дисками до принтеров, робототехники и станков с ЧПУ.

Шаговые двигатели 101
Шаговый двигатель состоит из центрального ротора, окруженного статором с некоторым количеством обмоток (см. рис. 1).Когда на одну обмотку или группу обмоток подается напряжение, она становится электромагнитом с полярностью, определяемой направлением тока. На рисунке А, например, подача тока на обмотку А создает северный полюс, обращенный к ротору. Магнитное притяжение прикладывает силу к полюсу ротора, заставляя ротор поворачивать некоторую часть оборота, пока его южный полюс не окажется рядом с северным полюсом обмоток, приводя крутящий момент к нулю. Это составляет шаг.

Чтобы продолжить движение, первый набор обмоток должен быть обесточен, а другой набор запитан.В результате полюс ротора снова смещается от полюса статора. Обмотка под напряжением прикладывает силу к ротору, заставляя его повернуться еще на один шаг.

Статический крутящий момент можно выразить как функцию углового положения для идеального шагового двигателя с постоянными магнитами (ПМ) как

, где крутящий момент, который представляет собой максимальный крутящий момент, который двигатель может создать, чтобы предотвратить перемещение нагрузки, и S — угол шага в радианах, а θ — угол вала в радианах. 1 В частности, выражение представляет собой угол электрического вала.

Типы шаговых двигателей
Чтобы понять процесс более подробно, давайте рассмотрим простейший тип шагового двигателя, двухфазный двигатель с постоянными магнитами (ПМ). В шаговом двигателе с постоянными магнитами ротор состоит из цилиндрического постоянного магнита с магнитными полюсами, разделенными по бокам (см. рис. 3). Для двухфазного двигателя у нас есть четыре обмотки, обозначенные A, A’, B и B’. Если мы возбудим катушку А так, что часть, ближайшая к ротору, станет северным полюсом, южный полюс ротора будет притягиваться к ней, вращаясь до тех пор, пока два не выровняются, сводя крутящий момент к нулю.Это представляет собой ступеньку с углом ступени 90°.

Как описано выше, мы обесточиваем катушку A и запитываем катушку B, заставляя двигатель двигаться еще на один шаг. Последовательное включение катушек заставляет ротор вращаться в виде серии дискретных шагов.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут стать экономичным решением, но их способность генерировать крутящий момент ограничена, особенно на высоких скоростях — повышенная индуктивность не позволяет току стать достаточно высоким для полной реализации крутящего момента. Конструкции PM ограничены грубыми углами шага, обычно 45 или 90 °.Такие большие опережения вызывают вибрацию, особенно на низких скоростях.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением обеспечивает альтернативу с более высоким разрешением. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением не имеет постоянного магнита включения. Вместо этого ротор состоит из железного или стального цилиндра с зубьями, так что воздушный зазор между ротором и катушками изменяется. Это позволяет устройству использовать явление, называемое заметностью, при котором изменение ширины воздушного зазора между ротором и статором приводит к изменению индуктивности.Это создает силу, называемую реактивным моментом, которая действует на ротор.

Магнитный поток, в данном случае от катушек статора, всегда ищет путь с минимальным сопротивлением. Когда зубья ротора смещены от находящихся под напряжением катушек статора, поток прикладывает силу, чтобы расположить зубья таким образом, чтобы минимизировать ширину воздушного зазора, как показано ниже:

Чтобы свести крутящий момент к нулю, ротор поворачивается, чтобы полностью выровнять зубец или часть зубцов с катушкой, находящейся под напряжением, фактически делая шаг.

Чтобы двигатель продолжал вращаться, мы должны обесточить катушку A и подать питание на катушку B. Это работает только в том случае, если число зубцов на роторе отличается от числа катушки, все остальные зубья смещены относительно ближайшей (незапитанной) катушки. В результате, когда мы обесточиваем катушку А и запитываем катушку В, ближайшие зубцы смещаются от магнитного полюса. Поток снова минимизирует крутящий момент, заставляя ротор поворачиваться еще на один шаг.

Альтернативным подходом является гибридный шаговый двигатель, обладающий характеристиками обоих типов. В гибридном шаговом двигателе постоянный магнит ротора ориентирован так, что магнитные полюса расположены в осевом, а не в поперечном направлении. К каждой стороне магнита прикреплен зубчатый железный или стальной диск. Каждый диск имеет одинаковое количество зубцов, но они синхронизированы друг с другом так, что зубья на северном полюсе находятся в противофазе с зубьями на южном полюсе на половину шага зубца (см. рис. 2).В результате, если смотреть в осевом направлении, получается ротор с чередующимися северным и южным полюсами. Обычный размер гибридного шагового двигателя составляет 200 шагов на оборот с углом шага 1,8°.

Режимы возбуждения
Количество фаз в шаговом двигателе определяется количеством различных наборов катушек, которые должны быть запитаны последовательно, чтобы двигать ротор. Один двигатель может иметь большое количество фаз; и наоборот, одна фаза может иметь от двух до N обмоток. Как правило, чем больше обмоток подключено к одной фазе, тем больше потребляемая мощность, но также и больше крутящий момент.Теоретически конструкция ограничена только возможностями механической обработки и количеством места, необходимого для разделения обмоток. На практике, однако, после определенного момента пустое пространство, занимаемое слишком большим количеством фаз, уменьшает общий крутящий момент, который может генерировать двигатель. Таким образом, конструкция обмотки и то, как вы управляете этими обмотками, играют ключевую роль в производительности.

Полношаговый однокатушечный режим
Шаговые двигатели могут возбуждаться в любом из нескольких режимов, каждый из которых имеет разные характеристики.Самый простой режим возбуждения — это полноступенчатый режим с одной катушкой или волновой привод, в котором на каждом шаге возбуждается только одна катушка статора. Он обеспечивает минимальный крутящий момент, поэтому его нельзя использовать при высоких нагрузках. Однако это минимизирует энергопотребление.

Полношаговый режим с двумя катушками
В этом режиме возбуждения катушки статора возбуждаются попарно. Вспомните кривую крутящего момента в зависимости от положения, показанную на рис. 2. Если мы возбудим две катушки одновременно, их кривые крутящего момента накладываются друг на друга, что приводит к большему крутящему моменту, который выглядит следующим образом (см. рис. 5).

Конструкция потребляет в два раза больше напряжения или тока, чем режим с одной катушкой, в зависимости от того, подключены ли они последовательно или параллельно, но она может создавать почти 100% номинального крутящего момента.

Полушаговый режим одиночной катушки
Полушаговый режим позволяет удвоить разрешение шагового двигателя без модификации ротора или статора. Шаговый двигатель, работающий в полушаговом режиме с одной катушкой, будет возбуждать один полюс, затем возбуждать две соседние катушки для продвижения ротора на полшага, затем возбуждать другой одиночный полюс для продвижения еще на полшага и т. д.(см. рисунок 6). Полушаг увеличивает разрешение всего лишь за счет изменения электроники привода.

Полушаговый режим двойной катушки
В этом режиме на первой ступени подается питание на две катушки, затем на четыре, затем на две и т. д. Первоначально подается питание на противоположные обмотки с северным и южным полюсами, чтобы извлечь больший крутящий момент из первой ступени. Затем одновременно подается питание на соседние катушки (см. рис. 7). Обратите внимание, что для двухфазного двигателя это означает, что все катушки возбуждаются одновременно.В этом случае полушаг не только увеличивает разрешение, но и позволяет двигателю создавать оптимальный крутящий момент.

Преимущества повышенного разрешения выходят за рамки точности позиционирования. Уменьшение угла шага уменьшает вибрацию и позволяет избежать резонансов в двигателе. В результате движение становится более плавным и тихим.

Микрошаг
Эффект можно усилить с помощью микрошагов. Микрошаг делит базовый угол шага на меньшие приращения; например, режим деления на 10 микрошагов уменьшит стандартный угол шага в 10 раз.

Давайте рассмотрим наиболее распространенную форму микрошага, известную как синусоидальный/косинусный микрошаг. Мы возбуждаем две катушки одновременно для достижения комбинированного удерживающего момента, равного удерживающему моменту одиночной обмотки согласно:

Тогда ток, который мы подаем к двум обмоткам, чтобы установить ротор под углом, определяется как:

где I A – ток через обмотку A при равновесии под углом 0, I B – ток через обмотку B при равновесии под углом S , а I max 0 допустимый ток через любую обмотку двигателя.

Микростеппинг стал возможен благодаря наличию мощных недорогих микроконтроллеров. Однако это не идеальное решение. Цифровые контроллеры, используемые для генерации управляющего сигнала, ограничены возможностями квантования аналого-цифрового преобразователя.

Стопор, или притяжение между зубьями ротора и магнитами, может привести к отклонениям и движению, а трение может ограничить точность. Тем не менее, этот метод может обеспечить очень хорошую производительность для ряда приложений. Во второй части этого руководства мы обсудим вопросы проводки и драйвера, а также компромиссы, связанные с выбором правильного типа шагового двигателя.

Каталожные номера
1. Дуглас Джонс, «Управление шаговыми двигателями», http://homepage.cs.uiowa.edu/~jones/step/index.html
.

Прочтите часть II этой статьи

Теория шагового двигателя

При правильном применении линейные приводы марки Haydon™ обеспечивают до 20 миллионов циклов, а роторные двигатели Haydon обеспечивают до 25 000 часов работы.В конечном итоге усталость двигателя и результирующий срок службы определяются уникальным применением каждого клиента. Следующие определения важны для понимания двигательной жизни и усталости.

Непрерывный режим: Работа двигателя при номинальном напряжении.

Рабочий цикл 25%: Работа двигателя при удвоенном номинальном напряжении на приводе L/R. Двигатель включен примерно 25% времени. Мощность двигателя примерно на 60 % больше, чем при номинальном напряжении.Обратите внимание, рабочий цикл не связан с нагрузкой на двигатель.

Ресурс: Ресурс линейного привода — это количество циклов, которое двигатель может выполнять при заданной нагрузке и поддерживать точность шага. Срок службы роторного двигателя – это количество часов работы.

Один цикл: Цикл линейного привода состоит из выдвижения и возврата в исходное положение.

Существуют некоторые общие рекомендации, которые можно использовать для выбора подходящего двигателя и обеспечения максимального срока службы.В конечном счете, чтобы определить производительность шагового двигателя в данной системе, лучше всего провести тестирование окончательной сборки в «полевых условиях» или в настройках, которые максимально приближены к этим условиям.

Поскольку в шаговом двигателе нет изнашиваемых щеток, его срок службы обычно намного превышает срок службы других механических компонентов системы. Если шаговый двигатель выйдет из строя, вероятно, будут задействованы определенные компоненты. Подшипники и интерфейс ходового винта/гайки (в линейных приводах) обычно являются первыми компонентами, испытывающими усталость.Требуемый крутящий момент или тяга, а также условия эксплуатации являются факторами, влияющими на эти компоненты двигателя.

Если двигатель работает при номинальном крутящем моменте или тяге или близко к ним, это может повлиять на срок службы. Испытания Haydon Kerk Motion Solutions показали, что срок службы двигателя увеличивается в геометрической прогрессии при снижении рабочих нагрузок. Как правило, двигатели должны быть рассчитаны на работу с нагрузкой от 40% до 60% от их максимальной допустимой нагрузки. Факторы окружающей среды, такие как высокая влажность, воздействие агрессивных химикатов, чрезмерная грязь/мусор и высокая температура, влияют на срок службы двигателя.Механические факторы в сборке, такие как боковая нагрузка на вал линейных приводов или несбалансированная нагрузка в поворотных приводах, также отрицательно влияют на срок службы.

Если двигатель используется с уменьшенным рабочим циклом и к двигателю приложено чрезмерное напряжение, время «включения» должно быть таким, чтобы не превышался максимальный рост температуры двигателя. Если у двигателя недостаточно времени «выключено», будет выделяться слишком много тепла, что приведет к перегреву обмоток и, в конечном итоге, к выходу из строя.

Надлежащее проектирование системы, минимизирующей эти факторы, обеспечит максимальный срок службы двигателя. Первым шагом к максимальному увеличению срока службы является выбор двигателя с коэффициентом безопасности, равным двум или более. Вторым шагом является обеспечение механической прочности системы за счет сведения к минимуму боковых нагрузок, несбалансированных нагрузок и ударных нагрузок. Система также должна рассеивать тепло. Воздушный поток вокруг двигателя или монтаж, который обеспечивает некоторый отвод тепла, является типичным средством отвода тепла. Если в системе присутствуют агрессивные химикаты, двигатель и все остальные компоненты должны быть защищены.Наконец, тестирование двигателя и узла в «полевых условиях» обеспечит пригодность для применения.

При соблюдении этих простых рекомендаций линейные приводы Haydon™ обеспечивают надежную работу в широком диапазоне применений. Если вам нужна помощь в проектировании, инженеры по применению Haydon Kerk помогут вам добиться максимального срока службы и производительности наших двигателей.

Как управлять шаговыми двигателями для точных движений роботов

Во многих технологиях, которые движут современным миром, шаговые двигатели активно работают.Эти относительно простые, но высокоэффективные двигатели являются отличным выбором для многих различных применений, включая производственные приложения, в которых используются роботизированные компоненты.

Шаговые двигатели, однако, требуют систем управления, которые могут обеспечить степень точного оперативного управления, которая создает точные и точные движения роботов. И когда инженер проектирует эти системы управления, ему необходимо уделять особое внимание конструкции контроллера и электрической коробки, используемой для его размещения.

В сегодняшнем выпуске блога Polycase TechTalk мы углубимся в основы шагового двигателя и его применения. Затем мы поговорим о том, как управлять шаговыми двигателями для инженеров-механиков и электриков, проектирующих и определяющих системы управления двигателями.

Частично разобранный шаговый двигатель. Обратите внимание на магнитные катушки, окружающие зубчатый ротор.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это распространенный тип бесщеточного двигателя с питанием от постоянного тока.Чтобы понять, как работают шаговые двигатели и почему мы их используем, вы должны сначала понять несколько вещей о том, как работают электрические двигатели.

Основное назначение электродвигателя — преобразование электрической энергии в механическую. Для этого в электродвигателе используются различные типы магнитов, которые взаимодействуют друг с другом и заставляют физические компоненты двигателя двигаться. Движение компонентов вращает вал двигателя, который передает механическую энергию от двигателя для питания других частей системы.

Существует два широко используемых типа электродвигателей: коллекторные и бесщеточные. В каждом из них используется свой метод преобразования электрической энергии в механическую:

  • Коллекторный двигатель использует электрические контакты, называемые щетками, которые передают ток на якорь, намотанный металлическими катушками. Два постоянных магнита статора, один положительный и один отрицательный, окружают якорь и заставляют якорь, находящийся под напряжением, вращаться. Когда якорь вращается, его кинетическая энергия вращает вал двигателя.
  • В бесщеточном двигателе используется несколько электромагнитов статора, расположенных по кольцу вокруг намагниченного ротора. Электромагниты можно активировать и деактивировать последовательно, чтобы управлять вращением ротора и точно совмещать его с каждым магнитом. Здесь вращение ротора создает кинетическую энергию, вращающую вал двигателя.

Коллекторные двигатели по-прежнему используются в различных устройствах, например, в бытовой технике. Однако бесщеточные двигатели вытеснили щеточные во многих других областях, в том числе во многих цифровых технологиях, которые управляют нашим миром.

Таким образом, важно понимать, как управлять шаговыми двигателями и как создавать системы управления, которые управляют ими безопасно и эффективно. Прежде чем мы углубимся в то, как они работают, давайте лучше поймем, как используются шаговые двигатели, рассмотрев преимущества, которые могут предложить шаговые двигатели, и приложения, в которых они обычно используются.

Пример основного конструкция шагового двигателя. Каждая из катушек активируется последовательно, чтобы обеспечить постоянное и предсказуемое движение ротора.

Преимущества шаговых двигателей

Итак, почему шаговые двигатели часто выбирают для робототехники? Вот некоторые из основных преимуществ шаговых двигателей, которые делают их идеально подходящими для робототехники:

  • Чрезвычайно точное управление движением и позиционированием двигателя
  • Значительно более низкие требования к техническому обслуживанию по сравнению с коллекторными двигателями
  • Высокоэффективная и надежная работа при номинальных скоростях и нагрузках
  • Значительно меньшая занимаемая площадь, чем у большинства коллекторных двигателей
  • Генерирует гораздо меньше тепла и электрических шумов, чем коллекторные двигатели

Униполярные шаговые двигатели, которые питают только одну сторону кольца катушки статора за раз, также относительно недороги, что делает их популярными среди любителей электроники и профессионалов.Биполярные шаговые двигатели, которые также передают обратный ток на катушку, противоположную находящейся под напряжением катушке статора, более сложны и дороги. Однако их более плавная и точная работа делает их более подходящими для промышленного применения.

Шаговый двигатель подходит не для всех задач. Если ваш проект требует непрерывного вращения двигателя на очень высоких скоростях (обычно более 2000 об/мин), многочисленные полюса в шаговом приводе могут вызвать такие условия, как потери на вихревые токи, которые снижают эффективность двигателя.Кроме того, износ ротора на таких высоких скоростях может сократить срок его службы.

Закажите корпус ЧПУ для вашего проекта обработки с ЧПУ

Применение шаговых двигателей в робототехнике

Шаговые двигатели используются в самых разных областях, особенно в секторе робототехники. Поскольку шаговые двигатели обеспечивают точное позиционирование и надежные повторяющиеся движения, они идеально подходят для приложений, требующих длинных последовательностей быстрых и точных движений. Распространенные применения шаговых двигателей в робототехнике: лазеры, печатающие головки, стилусы и другие автоматизированные роботизированные компоненты.Шаговые двигатели обеспечивают точное управление и надежность, необходимые инженерам при проектировании робототехнических систем. Однако для того, чтобы шаговые двигатели реализовали свой потенциал в этих приложениях, важно иметь четкое представление о том, как управлять шаговыми двигателями с использованием различных доступных методов управления напряжением.

Основы управления шаговым двигателем

По сути, основным методом управления шаговым двигателем является подача и снятие напряжения с катушек, окружающих шестерню, в правильной последовательности.Изменение последовательности и времени активации катушки — это то, как инженеры настраивают работу шагового двигателя в соответствии с потребностями своих приложений.

Изменения в подаче тока на шаговый двигатель могут привести к чрезвычайно тонким и точным различиям в позиционировании. Точность шагового двигателя зависит от количества его шагов, то есть от количества различных позиций, которые он занимает в течение полного цикла вращения. Шаговый двигатель с большим количеством шагов будет в большей степени способен создавать более точные различия в позиционировании.Уровень точности, которого может достичь шаговый двигатель, известен как разрешение двигателя.

Основные режимы управления шаговым двигателем:

  • Волновой привод/Однофазный: последовательно активируется одна катушка. Это самый простой режим работы шагового двигателя, дающий самое низкое разрешение.
  • Полный шаг: две катушки последовательно активируются одновременно, поэтому полярные положения ротора фактически находятся между каждой катушкой. Этот режим полезен для улучшения крутящего момента и скорости двигателя, но он не увеличивает разрешающую способность двигателя, поскольку число шагов остается прежним.
  • Полушаг: активируется одна катушка, а затем одновременно активируются две катушки на следующем этапе. Таким образом, ротор перемещается на полшага за раз от положения прямого выравнивания, когда активна одна катушка, до положения раздельного выравнивания, когда активны две катушки. Этот режим фактически добавляет дополнительные шаги к вращению двигателя, поэтому он существенно увеличивает разрешение.
  • Микрошаг: Катушки активируются серией синусоидальных импульсов, которые перемещают ротор очень маленькими шагами. Этот метод дает самое высокое разрешение из всех перечисленных здесь, благодаря его способности подразделять полный цикл ротора на 256 шагов.Микрошаг также перемещает ротор очень плавно и последовательно, что помогает снизить вибрацию, шум и износ компонентов двигателя. Благодаря этим преимуществам микрошаговый режим является наиболее распространенным режимом активации шаговых двигателей в современных приложениях.

Также можно увеличить разрешение шагового двигателя, увеличив количество катушек и полюсов. Большинство шаговых двигателей, используемых профессиональными инженерами, имеют большое количество катушек, которые обеспечивают около 200 шагов до микрошага.В совокупности эти параметры дают инженерам, использующим шаговые двигатели, множество различных возможностей для повышения точности разрешающей способности двигателя.

Каждый шаговый двигатель управляется через схему драйвера, которая передает ток на катушки для их активации. Поскольку весь механизм, управляющий шаговым двигателем, начинается с контроллера двигателя, очень важно, чтобы элементы управления шаговым двигателем были разработаны тщательно и в соответствии с передовыми методами. В следующих разделах мы кратко рассмотрим основы, которые вам необходимо знать при разработке схемы драйвера шагового двигателя.

Основы выбора привода шагового двигателя

Схема привода шагового двигателя обычно подключается к микроконтроллеру, который обеспечивает оператору двигателя контроль над импульсами напряжения, посылаемыми на катушки. Для схем шагового привода доступно множество различных вариантов, в том числе некоторые модели, предназначенные для готового использования в качестве контроллера шагового двигателя. Другие используют программируемые микроконтроллеры, такие как Arduino Uno, которые можно запрограммировать с помощью библиотеки управления шаговыми двигателями с открытым исходным кодом.

При выборе схемы драйвера шагового двигателя начните с четырех основных факторов. Ваш шаговый двигатель.

  • Ток: Драйвер должен быть рассчитан как минимум в 1,4 раза от максимального номинального тока шагового двигателя.
  • Микрошаг: Драйвер должен иметь несколько вариантов разрешения шага, чтобы вы могли экспериментировать с различными настройками микрошага.
  • Максимальный импульс шага: Драйвер должен быть рассчитан на достаточное количество импульсов шага для вращения ротора со скоростью, требуемой вашим приложением.
  • Другие факторы при выборе шагового привода

    Несмотря на относительно простую конструкцию шаговых двигателей, определение правильного шагового двигателя и разработка соответствующей системы управления могут оказаться сложной задачей. На четыре фактора, которые мы только что обсудили, может влиять множество других факторов, заслуживающих внимания.

    При проектировании системы с шаговым двигателем обязательно учитывайте следующее: обдуманный. Как правило, наиболее точным методом согласования двигателя и привода является использование инженерного программного обеспечения с соответствующими кривыми скорость-момент. Начните с привода с требуемыми характеристиками напряжения и тока, а затем сопоставьте его с двигателем, используя кривую скорость-момент.

    • Несоответствие крутящего момента является распространенной проблемой в конструкции привода шагового двигателя, которая может вызвать остановку (из-за недостаточного крутящего момента) или вибрацию и шум (из-за чрезмерного крутящего момента). Чтобы получить правильный крутящий момент, начните с расчета крутящего момента нагрузки для желаемой задачи, которую должен выполнить двигатель. После того, как вы определили требуемый крутящий момент нагрузки, используйте методы согласования нагрузки и крутящего момента двигателя, чтобы убедиться, что крутящий момент вашего двигателя находится в оптимальном диапазоне.
    • Помните, что шаговому двигателю требуется полный ток для создания удерживающего крутящего момента, а это означает, что шаговый двигатель может сильно нагреться, если он удерживается в одном положении в течение длительного времени.Обязательно учитывайте это при проектировании систем охлаждения.
    • Для биполярных шаговых двигателей требуются несколько более сложные схемы управления, чем для униполярных шаговых двигателей, поскольку они должны одновременно передавать отрицательный ток на противоположную катушку. Если вы используете биполярный шаговый двигатель, убедитесь, что ваш привод рассчитан на управление биполярными двигателями.
    • Блок управления шаговым двигателем должен быть защищен электрическими шкафами, чтобы защитить его от опасностей окружающей среды.В зависимости от условий эксплуатации двигателя проводка его распределительной коробки может засориться пылью и мусором или быть повреждена брызгами воды (среди многих других возможных опасностей).

    Корпуса Polycase для блоков управления шаговыми двигателями

    Электрические шкафы Polycase — отличный выбор для инженеров, разрабатывающих блоки управления шаговыми двигателями. Инженеры выбирают корпуса Polycase, когда им нужна производительность с рейтингом UL, элегантный дизайн и материалы высочайшего качества для корпусов шаговых двигателей.Кроме того, мы предлагаем варианты индивидуальной настройки корпуса, которые позволяют невероятно быстро и легко модифицировать корпус с помощью специальных вырезов корпуса с ЧПУ и цифровой печати.

    Ниже приведены некоторые из наиболее популярных электрических шкафов для наших промышленных клиентов, которые используют их для защиты оборудования, такого как блоки управления шаговыми двигателями:

    • Серия ZH: Прочные корпуса из поликарбоната с шарнирами, подходящие для использования внутри и вне помещений.
    • Серия SA: Корпуса для наружного применения из нержавеющей стали с характеристиками, соответствующими их элегантному внешнему виду.
    • Серия EX: Корпуса из экструдированного алюминия с красивой отделкой и встроенными направляющими для удобного монтажа на печатной плате.

    Прочный и доступный корпус из поликарбоната

    Полностью собранный шаговый двигатель, включая металлический корпус.

    Вам нужен идеальный электрический шкаф для размещения шагового двигателя и/или блока управления двигателем? Наши специалисты по электромонтажным шкафам всегда рады помочь вам выбрать модель, соответствующую вашим потребностям.Позвоните в Polycase по телефону 1-800-248-1233, чтобы поговорить со специалистом по корпусам, или свяжитесь с нами через Интернет в любое время.

    Кредиты изображений

    Alexlmx/shutterstock.com

    Fouad A. Saad/shutterstock.com

    Dearliamond67/shutterstock.com

    66…com Shutterstock.com

    66…com Shutterstock.com

    6…com

    6..com. .com

    ашаркю/Shutterstock.com

    sspopov/Shutterstock.ком

    sfam_photo / Shutterstock.com

    Михаил Стародубов / Shutterstock.com

    similis / Shutterstock.com

    luchschenF / Shutterstock.com

    ValeriiaES / Shutterstock.com

    Что такое шаговый двигатель и как он работает

    От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до очень сложного станка с ЧПУ или робота-манипулятора — шаговые двигатели можно найти практически везде.Его способность совершать точные движения с электронным управлением позволила этим двигателям найти применение во многих кошачьих, таких как камеры наблюдения, жесткие диски, станки с ЧПУ, 3D-принтеры, робототехника, сборочные роботы, лазерные резаки и многое другое. В этой статье давайте узнаем, что делает эти двигатели особенными, и теорию, стоящую за этим. Мы научимся использовать одно для вас приложение.

     

    Знакомство с шаговыми двигателями

    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 различаться 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 парами катушек, например, A и A’ образуют пару B, а B’ образует 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 питание, она действует как магнит, и полюс ротора выравнивается с ним, когда ротор вращается, чтобы выровняться со статором, это называется одним шагом . Точно так же, подавая питание на катушки в последовательности, мы можем вращать двигатель небольшими шагами, чтобы сделать полный оборот.

     

    Типы шаговых двигателей

    Существует три основных типа шаговых двигателей по конструкции:

    • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением: Ротор с железным сердечником притягивается к полюсам статора и обеспечивает движение за счет минимального сопротивления между статором и ротором.
    • Шаговый двигатель с постоянными магнитами:  У них есть ротор с постоянными магнитами, и они отталкиваются или притягиваются к статору в зависимости от приложенных импульсов.
    • Гибридный синхронный шаговый двигатель:  Они представляют собой комбинацию шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением и постоянного магнита.

     

    Помимо этого мы также можем классифицировать шаговые двигатели как униполярные и биполярные в зависимости от типа обмотки статора.

    • Биполярный шаговый двигатель: Катушки статора на двигателях этого типа не имеют общего провода.Управление этим типом шагового двигателя отличается и является сложным, а схема управления не может быть легко спроектирована без микроконтроллера.
    • Униполярный шаговый двигатель:   В этом типе шагового двигателя мы можем использовать центральное отвод обеих фазных обмоток для общего заземления или для общего питания, как показано ниже. Это упрощает управление двигателями, существует множество типов униполярных шаговых двигателей
    • .

     

    Режимы работы шагового двигателя

    Поскольку статор шагового режима состоит из разных пар катушек, каждая пара катушек может возбуждаться множеством разных способов, что позволяет управлять модами во многих разных режимах.Ниже приведены широкие классификации

     

    Полношаговый режим

    В полношаговом режиме возбуждения мы можем добиться полного вращения на 360° с минимальным количеством оборотов (шагов). Но это приводит к меньшей инерции и к тому же вращение не будет плавным. В полношаговом возбуждении есть еще две классификации: , однофазное волновое пошаговое и два фазовых режима .

     

    1. Однофазное пошаговое или волновое пошаговое: В этом режиме в любой момент времени будет под напряжением только одна клемма (фаза) двигателя.Это имеет меньшее количество шагов и, следовательно, может достигать полного вращения на 360 °. Поскольку количество шагов меньше, ток, потребляемый этим методом, также очень низок. В следующей таблице показана пошаговая последовательность волн для 4-фазного шагового двигателя

    .
    Ступенька 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.Двухэтапный степпинг: Как следует из названия в этом методе, две фазы будут одной. Он имеет то же количество шагов, что и волновой степпинг, но поскольку две катушки активируются одновременно, он может обеспечить лучший крутящий момент и скорость по сравнению с предыдущим методом. Хотя один недостаток заключается в том, что этот метод также потребляет больше энергии.

    Ступенька Этап 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

    Полушаговый режим представляет собой комбинацию однофазного и двухфазного режимов.Эта комбинация поможет нам преодолеть вышеупомянутый недостаток обоих режимов.

    Как вы могли догадаться, поскольку мы комбинируем оба метода, нам нужно будет выполнить 8-шагов в этом методе, чтобы получить полное вращение. Последовательность переключения для 4-фазного шагового двигателя показана ниже

    .

    Шаг

    Этап 1

    Фаза 2

    Этап 3

    Этап 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

     

    Микрошаговый режим

    Микрошаговый режим является сложным, но он обеспечивает очень хорошую точность наряду с хорошим крутящим моментом и плавной работой.В этом методе катушка будет возбуждаться двумя синусоидальными волнами, отстоящими друг от друга на 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. Микрошаг может выполнять до 256 шагов за один полный оборот, что позволяет двигателю вращаться быстрее и плавнее.

     

    Как использовать шаговый двигатель

    Хватит скучной теории, давайте предположим, что кто-то дал вам шаговый двигатель, скажем, знаменитый 28-BYJ48, и вам действительно интересно, как заставить его работать.К этому времени вы должны были понять, что невозможно заставить эти двигатели вращаться, просто питая их от источника питания, так как бы вы это сделали?

     

    Давайте посмотрим на этот шаговый двигатель 28-BYJ48 .

     

    Итак, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, из него выходит пять проводов всех причудливых цветов, и почему это так? Чтобы понять это, мы должны сначала узнать, как работает степпер, который мы уже обсуждали. Прежде всего, шаговые двигатели не вращают , они шагают, поэтому они также известны как шаговые двигатели .Это означает, что они будут двигаться только на один шаг за раз. Эти двигатели имеют последовательность катушек, присутствующих в них, и эти катушки должны быть запитаны определенным образом, чтобы заставить двигатель вращаться. Когда каждая катушка находится под напряжением, двигатель совершает шаг, а последовательность подачи питания заставит двигатель совершать непрерывные шаги, заставляя его вращаться. Давайте посмотрим на катушки, присутствующие внутри двигателя, чтобы точно знать, откуда берутся эти провода.

     

    Как вы можете видеть, мотор имеет униполярную 5-проводную катушку .Есть четыре катушки, которые должны быть запитаны в определенной последовательности. На красные провода подается напряжение +5 В, а остальные четыре провода подключаются к земле для срабатывания соответствующей катушки. Мы используем любой микроконтроллер, чтобы подавать питание на эти катушки в определенной последовательности и заставлять двигатель выполнять необходимое количество шагов. Опять же, есть много последовательностей, которые вы можете использовать, обычно используется 4-ступенчатая , а для более точного управления также может использоваться 8-ступенчатая . Таблица последовательности для 4-ступенчатого управления показана ниже.

    Шаг

    Катушка под напряжением

    Шаг 1

    А и В

    Шаг 2

    В и С

    Шаг 3

    С и D

    Шаг 4

    D и А

     

    Итак, почему этот двигатель называется 28-BYJ48 ? Шутки в сторону!!! Я не знаю.Нет никаких технических причин для того, чтобы этот двигатель был назван так; возможно, нам не следует погружаться в это намного глубже. Давайте посмотрим на некоторые важные технические данные, полученные из таблицы данных этого двигателя на рисунке ниже.

     

    Это много информации, но нам нужно рассмотреть несколько важных, чтобы знать, какой тип шагового двигателя мы используем, чтобы мы могли его эффективно запрограммировать. Во-первых, мы знаем, что это шаговый двигатель на 5 В, так как мы запитываем красный провод напряжением 5 В.Затем 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 повернется 64 раза. Это связано с тем, что шестерни, соединенные между двигателем и выходным валом, помогают увеличить крутящий момент.

    Еще одна важная информация, на которую следует обратить внимание, — это угол шага : 5,625°/64. Это означает, что двигатель при работе в 8-ступенчатой ​​последовательности будет двигаться на 5.625 градусов на каждый шаг, и потребуется 64 шага (5,625 * 64 = 360), чтобы совершить один полный оборот.

     

    Расчет количества шагов на оборот для шагового двигателя

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

    Предположим, что мы будем управлять двигателем в 4-шаговой последовательности, поэтому угол шага будет 11,25°, так как он равен 5,625° (указан в техническом описании) для 8-шаговой последовательности, он будет равен 11.25° (5,625*2=11,25).

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

     

    Зачем нужны модули драйверов для шаговых двигателей?

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

     

    Если вам интересно узнать как вращать шаговый двигатель с помощью какого-либо микроконтроллера и микросхемы драйвера, то мы рассмотрели множество статей о его работе с различными микроконтроллерами:

     

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

     

    Преимущества шаговых двигателей

    Одним из основных преимуществ шагового двигателя является то, что он обеспечивает превосходное управление положением и, следовательно, может использоваться для точного управления. Кроме того, он имеет очень хороший удерживающий момент, что делает его идеальным выбором для применения в робототехнике. Также считается, что шаговые двигатели имеют более длительный срок службы, чем обычные двигатели постоянного тока или серводвигатели.

     

    Недостатки шаговых двигателей

    Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют свои недостатки, поскольку они вращаются небольшими шагами и не могут развивать высокие скорости.Кроме того, он потребляет энергию для удержания крутящего момента, даже когда он идеален, что увеличивает потребление энергии.

    .

    0 comments on “Как работает шаговый двигатель: Шаговые двигатели: что это такое, где применяются, устройство и принцип работы, типы и их конструктивные особенности, драйвер ШД, подключение и управление

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.