Управление шаговым двигателем: способы управления

Статьи 18.08.201517.04.2018

Шаговые двигатели являются неотъемлемой частью самых различных электромеханизмов, начиная от бытовой техники и заканчивая производственным оборудованием. Управление шаговым двигателем осуществляется с помощью внешнего оборудования, в качестве которого может выступать как простой контроллер ШД, так и сложная система во главе с ПК, к которому подключается блок управления шаговым двигателем.

Способы управления шаговым двигателем

Независимо от того, какая схема управления использована, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

– полношаговом;
– полушаговом;
– микрошаговом.

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза; точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть.  Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, между шагами включаются сразу обе. Такой режим коммутации очень популярен, однако следует отметить, что при его применение получение полного момента невозможно.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме, как и в полушаговом, работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно. В микрошаговом режиме шагового двигателя происходит смещение положения ротора и магнитного поля статора между полюсов. Величина микрошага зависит от конкретного устройства, составляя от трети полного шага и менее. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако коммутация несколько усложняется.

Купить шаговые двигатели и средства управления ШД в Stepmotor

В каталоге  Stepmotor представлен широчайший ассортимент шаговых двигателей, а также систем управления шаговыми двигателями. Если вам необходимо купить шаговый двигатель, контроллер шагового двигателя или блок управления шаговым двигателем в наличии по доступней цене, удобнее всего оформить заказ на нашем сайте. Обратите внимание: используйте только те модели коммутационных устройств, которые совместимы с выбранной вами моделью ШД!

Если вы не знаете, как выбрать контроллер для шагового двигателя, проконсультируйтесь у технического специалиста, позвонив по телефону по России (звонок бесплатный) 8 800 5555 068 либо по электронной почте.
Купите шаговый двигатель и коммутатор шагового двигателя в Stepmotor. Все шаговые двигатели, блоки управления и драйверы ШД есть в наличии, отгрузка сразу после оплаты. Звоните 8 800 5555 068.

Схема управления шаговым двигателем и принцип работы

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ — ПРИНЦИП РАБОТЫ

Шаговые двигатели — это устройства, задача которых преобразование электрических импульсов в поворот вала двигателя на определённый угол, для совершения механической работы, приводящей в движение различные механизмы.

Принцип работы шаговых двигателей

Принцип работы шаговых двигателей можно изложить кратко. ШД, как и все типы двигателей, состоят из статора (состоящего из катушек (обмоток)) и ротора, на котором установлены постоянные магниты.

На картинке изображены 4 обмотки, расположенные на статоре под углом в 90 градусов относительно друг друга. Тип обмотки зависит от конкретного типа подключения шагового двигателя (как подключить шаговый двигатель).

На примере выше обмотки двигателя не соединены, значит двигатель с такой схемой имеет шаг поворота в 90 градусов. Обмотки задействуются поочередно по часовой стрелке, а направление вращения вала двигателя обусловлено порядком задействования обмоток. Вал двигателя вращается на 90 градусов каждый раз, когда через очередную катушку протекает ток.

Шаговые двигатели — применение

Область применения шаговых двигателей довольно широка, они используются в промышленности, в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами (униполярные и биполярные) и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг.

Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Управление биполярным шаговым двигателем требует наличия мостовой схемы. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Максимальная скорость движения определяется физическими возможностями шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению вала двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

Шаговые синхронные двигатели активного типа

Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов K_T системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T.

Как видно из рисунков для симметричной системы управления K_T=4, а для несимметричной K_T=8.

В общем случае число тактов K_T зависит от числа обмоток управления (фаз статора) m_у и может быть посчитано по формуле:

K_T = m_уn₁n₂,

где: n₁=1 — при симметричной системе коммутации;

n₁=2 — при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 — при однополярной коммутации;

n₂=2 — при двуполярной коммутации.

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

α_ш=360/К_тр

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

При большом числе зубцов ротора Z_р его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

α_ш=360/К_тZ_р

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики

Линейные шаговые синхронные двигатели

При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т. д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

ΔX_ш=t_z/К_t

где K_t — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

Важными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

DARXTON

Управление шаговым двигателем | Все о шаговых двигателях

Сохранить Подписаться

Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.

После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.

Шаг во времени, шаг во времени
Давай, друзья, шаг во времени
Шаг во времени
Шаг во времени, шаг во времени
Шаг во времени, шаг во времени
2 Никогда не нужна причина, никогда не нужна рифма
Мы шагаем во времени, мы шагаем во времени

«Шаг во времени»
Роберт Б. Шерман и Ричард М. Шерман

Управление шаговым двигателем немного сложнее управления обычным щеточным двигателем постоянного тока. Шаговым двигателям требуется шаговый контроллер для включения фаз в своевременной последовательности, чтобы двигатель вращался.

Простейший тип драйвера можно собрать из нескольких транзисторов. Они просто последовательно включаются и выключаются, чтобы подавать питание на фазы и двигать двигатель. Униполярные драйверы относительно недороги в изготовлении, но работают только с униполярными двигателями. На сайте Arduino есть отличное руководство по его сборке.

Учебное пособие по униполярному шаговому приводу

Для управления биполярным двигателем требуется 2 полных Н-моста, чтобы он мог реверсировать ток в фазах. Н-мосты сложно построить с нуля. Но для упрощения задачи доступно множество чипов H-bridge.

L293D — один из самых популярных и экономичных чипов. Их можно найти в основе большинства моторных щитов первого поколения, в том числе невероятно популярного V1 Adafruit Motor Shield.

Есть отличный туториал по использованию голого L293D с Arduino в системе обучения Adafruit:

Урок 16 — Шаговые двигатели

Adafruit Motor Shield V2 — это большой шаг вперед по сравнению с базовыми контроллерами на базе L293D. Экран V2 использует два драйвера MOSFET TB6612. По сравнению с L293D, TB6612 обеспечивает удвоенную пропускную способность по току и значительно меньшее падение напряжения, что позволяет более эффективно управлять шаговыми двигателями.

Всего с 2 микросхемами драйверов и 4 полными H-мостами каждый шилд может управлять двумя шаговыми двигателями. Чипы драйверов взаимодействуют через специальный чип драйвера ШИМ с интерфейсом I2C. Это освобождает множество контактов GPIO для других целей, а также делает экран штабелируемым. Вы можете сложить до 32 из них для управления 64 двигателями всего с 2 контактами ввода-вывода!

Информацию об этом гонщике можно найти в системе обучения.

Направляющая Adafruit Motor Shield V2

Платы контроллеров ЧПУ gShield и TinyG делают вас на шаг ближе к шаговым двигателям промышленного уровня. Эти платы оснащены драйверами «прерывателя» постоянного тока, которые можно настроить для обеспечения максимального крутящего момента и скорости от ваших двигателей.

ЧПУ TinyG имеет встроенный интерпретатор G-кода и 4 выхода двигателя, что делает его полным встроенным решением для 4-осевого станка с ЧПУ малого и среднего размера.

Как и следовало ожидать, эти усовершенствованные высокопроизводительные платы более сложны в работе и рекомендуются для опытных пользователей.
Подробности об этих платах и ​​их работе можно найти в TinyG Wiki и на форумах Synthetos.

Форумы Synthetos

Tiny G Wiki

 Типы шаговых двигателей Сопоставление драйвера с шаговым двигателем

Это руководство было впервые опубликовано 05 мая 2014 г. Оно было последним обновлено 05 мая 2014 г.

Эта страница (Управление шаговым двигателем) последний раз обновлялась 26 апреля 2014 г.

Текстовый редактор на базе tinymce.

Как управлять шаговыми двигателями для точных движений роботов

Toggle Nav Переключить навигацию

Меню

Счет

Поиск

• Мое сравнение ()

Во многих технологиях, управляющих 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 контроля, 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 шаговых двигателей и приложения, в которых они обычно используются.

Пример базового 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, благодаря которым они идеально подходят 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 намного меньше тепла и электрических шумов, чем коллекторные двигатели

Униполярные шаговые двигатели, которые одновременно питают только одну сторону кольца катушки статора, также относительно недороги, что делает их популярными как среди любителей электроники, так и среди 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 в вашем проекте требуется постоянное вращение 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 робототехники для шаговых двигателей

Шаговые двигатели используются в самых разных областях, особенно в робототехнике. Поскольку шаговые двигатели обеспечивают точное позиционирование и надежные повторяющиеся движения, они идеально подходят для приложений, требующих длинных последовательностей быстрых и точных движений. Общие роботизированные применения шаговых двигателей включают: 

• Обработка с ЧПУ
• 3D- и 2D-печать
• Текстильное производство
• Медицинские устройства визуализации
• Системы хранения данных на жестких дисках

Каждое из этих приложений требует точного управления роторами, лазерами, печатающими головками, стилусами и другими компонентами автоматизированных роботов. 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 с помощью серии 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 номинального максимального 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, чтобы вращать ротор со скоростью, требуемой вашим приложением.

Другие факторы при выборе шагового привода

Несмотря на относительно простую конструкцию шаговых двигателей, выбор 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, включающей шаговый двигатель, обязательно учитывайте следующее: 

• Если в вашем приложении требуются определенные скорости вращения и крутящий момент, подбор правильного двигателя и привода может оказаться сложной задачей, даже если вышеуказанные условия соблюдены. 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 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.
• Биполярные шаговые двигатели требуют несколько более сложных схем управления, чем униполярные шаговые двигатели, потому что 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 навесные поликарбонатные шкафы, 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.