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.

Алгоритм управления двухполюсным шаговым двигателем в микрошаговом режиме

В статье приведен простой алгоритм, предполагающий использование традиционных микроконтроллеров для управления серийно выпускаемыми мостами Н-типа. Такой алгоритм позволяет обеспечить работу двухполюсных шаговых двигателей в микрошаговом режиме. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Двухполюсные шаговые двигатели предполагают простой способ позиционирования с выбранной скоростью перемещения и не требуют применения замкнутых контуров регулирования с использованием датчиков углового положения и других аналогичных средств. Для улучшения рабочих характеристик можно применить метод, известный как микрошаговое позиционирование, при котором на типовой сигнал, обеспечивающий работу в полношаговом режиме, накладывается синусоидальный ток.
Шаговые двигатели являются замечательными исполнительными устройствами для управления перемещением, поскольку они могут работать в пошаговом режиме. Эта особенность предоставляет два преимущества:

– требуемое положение легко достигается перемещением на расчетное число шагов с последующей остановкой;
– точность скорости перемещения достигается за счет управления шагами во времени.
Шаговый двигатель может останавливаться в заданном положении и удерживаться в этом состоянии независимо от изменений внешней нагрузки, и в то же самое время скорость вращения двигателя может поддерживаться равномерной даже при изменении напряжения источника питания. При использовании других типов двигателей без применения замкнутых контуров регулирования добиться таких результатов невозможно, в то время как для шаговых двигателей ничего подобного не требуется.
Однако шаговые двигатели имеют и свои недостатки, которые в некоторых случаях создают существенные проблемы. Одним из самых серьезных недостатков является резонанс или вибрации, возникающие при генерации последовательности шагов в моменты изменения знака угловой скорости. На рисунке 1 показано, что происходит с угловым положением двигателя в режиме полного шага для осуществления требуемого позиционирования. Когда ротору необходимо переместиться на следующую позицию, расположенную на расстоянии 1,8° от его текущего положения, перед достижением заданной цели он неминуемо будет колебаться в определенных угловых пределах.

 

Рис. 1. Режим полного шага и колебания углового положения ротора в процессе установки. Резонансные явления наблюдаются, если шаги задаются в моменты времени, когда ротор находится слишком далеко от требуемого положения

В момент принятия решения о следующем шаге важным параметром является расстояние между целью и текущим положением. Расстояние, проходимое ротором, во многом зависит от его стартовой позиции, и от того насколько она удалена от цели. Данное расстояние определяет скорость вращения ротора, изменение которой может привести к вибрации двигателя и потере им крутящего момента. Очень легко проследить, когда появляются вибрации на каждом конкретном двигателе: нужно медленно ускорять двигатель для постепенного увеличения скорости. При этом можно отметить зоны, в которых при изменении скорости вибрации либо увеличиваются, либо уменьшаются.

Как вибрация, так и потеря крутящего момента являются очень нежелательными явлениями. Поэтому при работе с шаговым двигателем важно их устранять. Один способ устранения этих недостатков заключается в ограничении тока до значений, позволяющих значительно снизить вибрации. К сожалению, если ток не модулировать динамически в соответствии с изменением нагрузки, система будет страдать от «выпадения» шагов, что является даже большей угрозой, поэтому всегда тяжело искать компромисс между точностью позиционирования и скоростью.

Более хорошим решением этой проблемы является ограничение вибраций за счет уменьшения расстояния, которое ротор должен преодолеть за один шаг. Двигатели характеризуются пошаговым разрешением. 200-ступенчатый шаговый двигатель за один шаг перемещается на 1,8°. Если удастся каким-либо способом разделить каждый шаг на несколько микрошагов, расстояние, проходимое ротором за один микрошаг, станет гораздо меньше 1,8°. Чем меньше шаг перемещения, тем меньше энергии потребуется для достижения заданного положения, а угроза возникновения вибраций станет минимальной.

Регулирование тока

Для формирования множества микрошагов, составляющих один полный шаг, необходимо иметь возможность регулирования тока. Большинство серийно выпускаемых интегрированных Н-мостов может решить эту задачу. Как показано на рисунке 2, регулировку тока в таком случае легко осуществить, измеряя ток, протекающий через чувствительный резистор R

SENSE
Чувствительный резистор R_SENSE стоит последовательно с обмоткой двигателя, поэтому измеряется реальный ток в обмотке. Падение напряжения на этом резисторе подается на усилитель с известным коэффициентом усиления. Напряжение необходимо усиливать для минимизации потерь, поскольку используемый резистор очень мал. После этого усиленное напряжение сравнивается с эталонным напряжением V _REF. Когда напряжение, пропорциональное току в обмотке, становится больше напряжения V_REF, Н-мост отключается на заданное время. По истечении этого времени Н-мост снова подключается. Процесс отключения Н-моста, как только ток достигает заданного значения I_TRIP, постоянно повторяется, что и обеспечивает регулирование тока.

 

Рис. 2. Чувствительный резистор RSENSE, стоящий последовательно с обмоткой двигателя, позволяет получить падение напряжения, прямо пропорциональное току в обмотке

Подача эталонного напряжения обеспечивается внешними цепями. При модуляции напряжения V

REF происходит модуляция тока в обмотке. Таким образом удается получить разбиение шага на микрошаги. При изменении величины тока изменяется магнитное поле статора. Управляя током обмотки, можно регулировать напряженность магнитного поля статора, которое, в свою очередь, определяет положение ротора. Например, если на 200-ступенчатый шаговый двигатель подан полный ток, каждый шаг составляет 1,8°. Но если на тот же двигатель помимо полного тока подается еще и половина от полного тока, то каждый шаг будет равен 0,9°, т.е. ток можно делить произвольным образом и получать еще меньшие шаги, а, значит, и лучшее разрешение.

Управление двигателем в микрошаговом режиме

Двухполюсные шаговые двигатели часто работают в режиме полных шагов. Для этого управляют фазами токов в каждой из обмоток, реализуя одну из четырех возможных комбинаций, показанных на рисунке 3: HI-LO, HI-HI, LO-HI и LO-LO, где LO означает ток –I_MAX, а HI соответствует +I_MAX. Если соблюдать такую последовательность переключений, двигатель будет вращаться в одном направлении. Если перевернуть эту последовательность, двигатель будет вращаться в противоположном направлении.
Положение ротора контролируется количеством шагов, выполняемых относительно известной стартовой позиции. Для установки скорости перемещения требуется задавать интервал времени между шагами.

Скорость в таком случае будет обратно пропорциональна этому времени и измеряться количеством шагов в секунду (SPS). Для генерации этих шагов применяют внутренний таймер, настроенный на вычисление временных интервалов. После чего для управления фазами в соответствии с направлением вращения может быть использована подпрограмма обслуживания прерываний (ISR). Например, если текущий шаг находится в квадратурной позиции HI-HI, можно использовать полярность коммутации LO-HI, чтобы переместить двигатель на один шаг вперед, или HI-LO, чтобы передвинуться назад.
При модуляции значения V_REF, поданного в схему Н-моста, происходит наложение на коммутационный сигнал, формирующий полный шаг токового компонента, что и позволяет получить микрошаги. На рисунке 4 показан этот механизм. Отметим, что сигнал PHASE всегда имеет положительное значение. При этом, когда уровень сигнала PHASE равен HI, ток в обмотке двигателя положительный, а когда LO — ток считается отрицательным. Это означает, что цифровой сигнал PHASE (также называемый в некоторых Н-мостах Direction (направление)), задает направление тока, но не его величину. Величина тока определяется модуляцией V_REF.

 

Рис. 3. Типовая последовательность переключений, используемая для коммутации двухполюсного шагового двигателя в режиме полных шагов

Рис. 4. Информация по VREF-модуляции накладывается на коммутационный сигнал, формирующий полный шаг. В результате на обмотки двухполюсного шагового двигателя поступает коммутационный сигнал, состоящий из микрошагов

В следующем примере на вывод V_REF подается сигнал, соответствующий половине полной синусоидальной волны. В принципе, можно использовать любые непрерывные сигналы, главное, чтобы они обеспечивали плавное перемещение. Синусоидальные сигналы являются промышленным стандартом, необязательным для исполнения. Разработчики могут применять и другие формы сигналов, лишь бы это вело к хорошим результатам. Поэтому для формирования микрошагов часто используются микроконтроллеры или цифровые сигнальные процессоры (DSP).
В результате наложения VREF-сигнала на фазовый сигнал формируется переменный сигнал (в рассматриваемом случае синусоидальный), используемый для управления всеми обмотками шагового двигателя. Рассмотрим, как генерируется V_REF-сигнал.
Для формирования V_REF-сигнала можно использовать модуль ЦАП. Поскольку у двухполюсного шагового двигателя две обмотки, требуются два канала ЦАП. Вместо ЦАП для формирования вполне приемлемого программируемого аналогового напряжения можно использовать быстродействующий широтно-импульсный модулятор (PWM), на выходе которого стоит фильтр нижних частот. Амплитуда такого аналогового сигнала выбирается при помощи внутренней справочной таблицы, хранящей форму сигнала, определенную для каждого конкретного приложения. Каждый раз при подготовке шага из справочной таблицы выбирается соответствующее значение и пересылается в регистр ЦАП.
При формировании и использовании справочной таблицы нельзя забывать о нескольких важных моментах. Первый из них — глубина данной таблицы. Количество элементов таблицы всегда превышает число значений тока в два раза. Поэтому, если требуется разделить полный шаг на восемь частей (восемь микрошагов), необходимо формировать восемь значений тока, и, значит, таблица должна содержать 16 элементов. Такая таблица будет хранить информацию о вращении на 180°. Для следующих 180° используется та же самая таблица, но с противоположной полярностью. Таким образом, сначала таблица используется для положительных токов, а потом — для отрицательных.
На практике для управления любым двухполюсным шаговым двигателем требуются два сигнала со сдвигом фаз: PHASE A и PHASE B. В случае синусоидальных сигналов PHASE A и PHASE B являются синусоидами, смещенными относительно друг друга на 90°. Другими словами, если PHASE A является синусоидой, PHASE B будет косинусоидой. Поэтому нет необходимости использовать две таблицы, можно ипользовать одну и ту же таблицу дважды.
Если для формирования синусоидального сигнала PHASE A используется таблица на 16 элементов, то для получения косинусоидального сигнала PHASE В можно применить ту же таблицу, сместившись по ней на 8 элементов. Эту процедуру можно описать следующим псевдокодом:

#define TABLE_DEPTH 16
VREF_PHASEA = LOOKUPTABLE[INDEX]
VREF_PHASEB = LOOKUPTABLE[(INDEX + TABLE_DEPTH / 2) & (TABLE_DEPTH-1)]
Increase INDEX.

Отметим, что индекс PHASE В необходимо нормализовать в соответствии с размером таблицы. Если для PHASE A из таблицы выбирается значение элемента #15, для PHASE B надо использовать не элемент #23, поскольку он выходит за пределы таблицы, а элемент #7. Корректное нормализованное значение можно получить, применив логическую операцию «И» к индексу справочной таблицы и размеру таблицы, отняв от него 1. Такой элемент «И» часто называют INDEX_MASK.
Разобравшись с тем, как получить из справочной таблицы информацию о величине тока, будем разбираться с фазовой информацией. Требуется ответить на вопрос, надо ли ее также хранить в таблице. Если да, то будет ли размер такой таблицы в четыре раза больше числа значений тока на один шаг. В действительности, в создании новой таблицы нет необходимости, поскольку информацию о фазе сигнала PHASE можно получить из самой переменной INDEX.
Значение INDEX меняется в пределах 0… TABLE_DEPTH — 1. Но если позволить переменной INDEX меняться в пределах 0… 2×TABLE_DEPTH, старший значащий разряд результирующего числа можно использовать для определения полярности сигнала PHASE. Рассмотрим случай из микрошагов по 8°. В этом случае TABLE_DEPTH равно 16, но параметр INDEX будет меняться в диапазоне 0…31. Поскольку теперь требуется две маски: одна для фазовой информации (PHASE_MASK), а другая для извлечения данных из справочной таблицы (INDEX_MASK), необходимо изменить стратегию формирования индекса. Новый псевдокод будет выглядеть следующим образом:

#define  PHASE_MASK  0x10
PHASEA = INDEX & PHASE_MASK
PHASEB = (INDEX + TABLE_DEPTH / 2) & PHASE_MASK.

Отметим, что при получении фазы сигнала PHASE нет необходимости заботиться о преобразовании значения INDEX, поскольку за это несет ответственность старший значащий разряд. Другими словами, старший значащий разряд определяет фазу сигнала, а все более младшие разряды используются в качестве индекса справочной таблицы для извлечения информации о величине тока.

#define  TABLE_DEPTH 16
#define  INDEX_MASK TABLE_DEPTH — 1
VREF_PHASEA = LOOKUPTABLE[INDEX & INDEX_MASK]
VREF_PHASEB = LOOKUPTABLE[(INDEX + TABLE_DEPTH / 2) & (INDEX_MASK)]
INDEX = INDEX + IndexIncrement.

Здесь изменен способ увеличения индекса. Но иногда возникает потребность не увеличивать индекс, а уменьшать его. Например, когда есть необходимость извлечь из справочной таблицы информацию о направлении вращения. Другими словами, перемещение по таблице вперед соответствует вращению двигателя по часовой стрелке, а назад — против часовой стрелки.
Теперь рассмотрим технические средства реализации представленного кода для корректного использования справочной таблицы. Для формирования пошаговых команд используется аппаратно реализованный запуск ISR. Это может быть либо захват входа таймера, либо соответствующая конфигурация порта входов/выходов общего назначения (GPIO) для осуществления прерывания. Необходимо заранее определиться, как будет распознаваться пошаговая команда: по переднему, заднему или по обоим фронтам. Как только регистрируется такой переход, начинает выполняться код, определенный выше.
Вторая ISR отвечает за запросы о направлении вращения. И здесь может быть использована любая форма аппаратного входа, обеспечивающая прерывание по переходу, при этом такой вход должен реагировать как на передний, так и на задний фронт. При регистрации переднего фронта индекс увеличивается на +1. При регистрации заднего фронта индекс уменьшается на –1.
Из всего сказанного видно, что довольно просто превратить драйвер шагового двигателя в микрошаговый коммутатор, и при этом код программы для осуществления одного микрошага будет достаточно мал.

Простое решение проблемы

Использование микроконтроллера или DSP для реализации режима микрошагов на базе стандартного алгоритма полношаговой коммутации является довольно простым способом решения проблемы с резонансом. То, что режим микрошагов реализуется больше программным, а не аппаратным способом, делает его универсальным, что и привлекает внимание разработчиков. Здесь может быть использована любая форма сигнала, если того требует конкретный проект. Количество микрошагов определяется заданной разрешающей способностью. Для приложений, требующих очень плавного перемещения, количество микрошагов может доходить до тысячи.

Литература

1. A simple algorithm for microstepping a bipolar stepper motor// http://www.eetimes.com .

Модуль управления ручным шаговым двигателем и серводвигателем, управляемый джойстиком и трекболом

Продукция О нас Центр знаний Аксессуары Условия использования Рекомендуемые продукты Карта сайта Видео Свяжитесь с нами

Справочное руководство по оборудованию в формате PDF Сопутствующие товары Моторизованные линейные приводы Моторизованные XY столики Ступени линейного подъема с электроприводом Моторизованные поворотные столики Комбинированные линейно-вращательные ступени Моторизованные гониометрические столики Моторизованные многоосевые столики Особенности Подключи и работай Быстрая и простая установка Очень компактный и простой в использовании Низкое энергопотребление, двигатели с высоким крутящим моментом, высокая скорость Возможности Доступен для управления шаговым двигателем, серводвигателем постоянного тока с квадратурными инкрементными оптическими энкодерами Дополнительные положительные и отрицательные концевые выключатели на ось Дополнительное управление трекболом Дополнительные положительные и отрицательные концевые выключатели на ось Одноручное управление по 1, 2, 3 или 4 осям Скорость двигателя Пропорциональный до угла наклона Клавиши выбора трех скоростей Длительный срок службы Частота шагов устанавливается через USB Полностью интегрированное решение Оценка Блок доступен по запросу Настольный блок питания в комплекте   Программное обеспечение Простая настройка и оценка системы Управление через меню Включено бесплатное программное обеспечение Шаговый двигатель Водитель Фазный ток до 3,5 А Двигатели размером от 8 до 42 Автоматическое снижение тока Легко регулируется с помощью встроенных потенциометров     Эта система управления движением способен перемещать группу двигателей, управляя движением джойстик или трекбол. Скорость двигателя пропорциональна угол наклона джойстика или скорость вращения трекбол. Эта серия завершена многоосевой, многоскоростной, автономный, простой в использовании, plug-and-play и низкая стоимость приложений для ручного управления шаговым двигателем или серводвигателем  . Они может заменить или модернизировать ручные системы, точно моторизовав их джойстик и/или трекбол. каждый система включает питание расходные материалы, контроллер,  драйверы микрошаговых и/или серводвигателей. Управляющие устройства включают в себя аналоговый джойстик, трекбол, двухфазные квадратурные сигналы, цифровой потенциометр, напряжение постоянного тока и внешние сигналы шага и направления. ПРОГРАММИРОВАНИЕ НЕ ТРЕБУЕТСЯ. Эта серия также доступен без драйверов. Выходы из системы будут сигналы питания, включения, шага и направления. Эта конфигурация подходит для взаимодействия с «интегрированным двигателем и драйверами». Информация для заказа Деталь № Описание Сумма JMCD-1-STPR-01 Одноосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Степпер Моторист Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-2-STPR-01 Двухосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Степпер Водитель мотора Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-3-STPR-01 Трехосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Степпер Водитель мотора Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-4-STPR-01 Четыре оси Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Степпер Водитель мотора Нажмите, чтобы узнать цену Эта серия подходит для двухфазные шаговые двигатели. Шаговый двигатель Двигатель Водители: Фазный ток до 3,5 А +15 ~ + 40 В постоянного тока Блок питания Деталь № Описание Сумма JMCD-1-SRVO-01 Одноосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Один этап Серводвигатель Водитель Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-2-SRVO-01 Двухосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Один этап Серводвигатель Водитель Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-3-SRVO-01 Трехосный Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Один этап Серводвигатель Водитель Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-4-SRVO-01 Четыре оси Джойстик контролируемый Ручной контроллер движения и Один этап Серводвигатель Водитель Нажмите, чтобы узнать цену Эта серия подходит для однофазные серводвигатели постоянного тока с квадратурными инкрементальными оптическими энкодерами. Сервопривод Мотор Водители: Фазный ток до 20,0 А +18 ~ + 40 В постоянного тока Блок питания Деталь № Описание Сумма JMCD-1-DC-01 Одноосный Джойстик контролируемый Руководство по эксплуатации Движение Контроллер и разомкнутый цикл Один этап Драйвер серводвигателя постоянного тока Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-2-DC-01 Двухосный Джойстик контролируемый Руководство по эксплуатации Движение Контроллер и Открытый цикл Драйвер однофазного серводвигателя постоянного тока Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-3-DC-01 Трехосный Джойстик контролируемый Руководство по эксплуатации Движение Контроллер и Открытый цикл Драйвер однофазного серводвигателя постоянного тока Нажмите, чтобы узнать цену JMCD-4-DC-01 Четыре оси Джойстик контролируемый Руководство по эксплуатации Движение Контроллер и Открытый цикл Один этап Драйвер серводвигателя постоянного тока Нажмите, чтобы узнать цену Эта серия подходит для Однофазные серводвигатели постоянного тока без обратной связи по положению. Для другой конфигурации, пожалуйста, свяжитесь с нами для подскажите цитату. Ссылка для обмена: Твитнуть

Все, что вам нужно знать о шаговых двигателях

Это руководство является частью нашего центра промышленной автоматизации , где вы можете узнать больше об искусственном интеллекте, автоматизации и управлении.

В этом руководстве мы дадим краткий обзор того, как именно работает шаговый двигатель, прежде чем перейти к рассмотрению некоторых из наиболее распространенных примеров, доступных на рынке, и многочисленных видов повседневных ролей, которые они выполняют. лучше всего подходит для.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой тип бесщеточного синхронного двигателя постоянного тока, который, в отличие от многих других стандартных типов электродвигателей , не просто вращается непрерывно в течение произвольного числа оборотов до тех пор, пока не будет отключено постоянное напряжение, подаваемое на него. .

Вместо этого шаговые двигатели представляют собой тип цифрового устройства ввода-вывода для точного пуска и останова. Они сконструированы таким образом, что ток, проходящий через них, попадает на серию катушек, расположенных по фазам, которые можно включать и выключать в быстрой последовательности. Это позволяет двигателю совершать часть оборота за раз, и эти отдельные заранее определенные фазы мы называем «шагами».

Шаговый двигатель предназначен для разбиения одного полного оборота на несколько гораздо меньших (и практически равных) частичных оборотов. В практических целях их можно использовать для указания шаговому двигателю двигаться на заданные градусы или углы поворота. Конечным результатом является то, что шаговый двигатель можно использовать для передачи мельчайших точных движений механическим частям, требующим высокой степени точности.

Шаговые двигатели обычно имеют цифровое управление и являются ключевыми компонентами системы позиционирования с управлением движением без обратной связи. Они чаще всего используются в приложениях удержания или позиционирования, где их способность устанавливать гораздо более четко определенные положения вращения, скорости и крутящие моменты делают их идеально подходящими для задач, требующих чрезвычайно строгого контроля движения.

Как работают шаговые двигатели?

В обычном коллекторном двигателе постоянного тока напряжение подается на клеммы, что, в свою очередь, заставляет проволочную катушку вращаться со скоростью внутри корпуса с фиксированным магнитом («статор»).

В этой установке катушка с вращающейся проволокой («ротор») фактически становится электромагнитом и быстро вращается в центре двигателя на основе знакомого принципа магнитного притяжения и отталкивания. Комбинация щеток (электрических контактов) и поворотного электрического переключателя, известного как коммутатор, позволяет быстро менять направление тока, идущего к проволочной катушке. Это создает непрерывное однонаправленное вращение катушки ротора до тех пор, пока на сборку подается достаточное напряжение.

Потенциальным недостатком этого типа двигателя является то, что он вращается непрерывно и делает произвольное количество оборотов, пока не отключится питание. Из-за этого очень сложно контролировать точную точку остановки двигателя, что делает его непригодным для приложений, требующих более точного управления. Ручное управление включением/выключением подачи мощности на двигатель не может обеспечить требуемую точность старт-стоп для выполнения движений с точностью до минуты.

В шаговом двигателе установка совсем другая. Вместо ротора с проволочной катушкой, вращающегося внутри неподвижного корпуса магнитов, шаговые двигатели построены с фиксированным корпусом из проволоки (в данном случае статором), расположенным вокруг ряда «зубчатых» электромагнитов, вращающихся в центре. Шаговый двигатель преобразует пульсирующий электрический ток, управляемый Драйвер шагового двигателя , в точные одношаговые движения этого шестеренчатого зубчатого компонента вокруг центрального вала.

Каждый из этих импульсов шагового двигателя перемещает ротор на один точный и фиксированный шаг полного оборота. Поскольку ток переключается между проволочными катушками, расположенными последовательно вокруг двигателя, вращающаяся часть может совершать полные или частичные обороты по мере необходимости, или ее можно заставить очень резко останавливаться на любом из шагов вокруг ее вращения.

В конечном счете, реальная сила шагового двигателя по сравнению с обычными коллекторными двигателями постоянного тока заключается в том, что они могут быстро позиционировать себя в известном и повторяемом положении или интервале, а затем удерживать это положение столько времени, сколько требуется. Это делает их чрезвычайно полезными в высокоточных приложениях, таких как робототехника и печать. Компания Learn Engineering создала приведенное ниже видео, демонстрирующее работу шагового двигателя:

Магазин шаговых двигателей

Типы шаговых двигателей

Продается множество типов шаговых двигателей, и знание того, что делает каждый из различных вариантов, поможет вам решить, какой тип лучше всего подходит для вашего приложения.

Биполярный шаговый двигатель

Биполярный шаговый двигатель имеет встроенный драйвер, который использует мостовую схему H для реверсирования тока, протекающего по фазам. При подаче питания на фазы при смене полярности все катушки можно заставить работать, вращая двигатель.

На практике это означает, что обмотки катушки лучше используются в биполярном, чем в стандартном униполярном шаговом двигателе (который одновременно использует только 50 % катушек), что делает биполярные шаговые двигатели более мощными и эффективными в работе. . Хотя биполярные шаговые двигатели технически более сложны в управлении, они, как правило, имеют встроенный чип драйвера, который обрабатывает большую часть необходимых инструкций и действий.

Недостатком является то, что изначально они обычно дороже, чем стандартные монополярные версии, потому что 9Униполярные шаговые двигатели 0540 не требуют реверсирования тока для выполнения шаговых функций — это делает их внутреннюю электронику намного проще и дешевле в производстве.

Магазин биполярных шаговых двигателей

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели обеспечивают еще большую точность благодаря таким методам, как полушаг и микрошаг. Микрошаг — это способ увеличения фиксированного количества шагов в двигателе путем программирования драйвера для отправки на катушки переменного синусоидального/косинусоидального сигнала. Это часто означает, что шаговые двигатели можно настроить так, чтобы они работали более плавно и точно, чем при стандартной настройке.

Гибридные шаговые двигатели обычно имеют полюса или зубья, которые смещены на двух разных чашках снаружи магнитного ротора. Это также означает более точное управление шагами и вращением, а также более тихую работу, более высокое отношение крутящего момента к размеру и более высокие выходные скорости, чем стандартные шаговые двигатели.

Магазин гибридных шаговых двигателей

Для чего используется шаговый двигатель?

Шаговые двигатели имеют широкий спектр применений во многих отраслях и областях, при этом некоторые из наиболее распространенных применений:

• Вычислительная техника
• Робототехника
• Камеры
• Печать и сканирование, в том числе на 3D-принтерах
• Автоматизация процессов и упаковочное оборудование
• Позиционирование пилотных ступеней клапана для систем управления жидкостью
• Оборудование для точного позиционирования

В этом разделе мы более подробно рассмотрим некоторые из этих повседневных приложений.

Шаговые двигатели для 3D-принтеров

Общие списки деталей для 3D-принтеров почти всегда включают шаговый двигатель с тем или иным описанием. Это связано с тем, что использование шагового двигателя в 3D-принтере является высокоточным и экономичным способом выполнения очень точных действий и вращений, когда принтер пытается преобразовать информацию с цифровых сканов в физические 3D-объекты.

Шаговые двигатели и драйверы в 3D-принтерах обеспечивают строго контролируемое движение по осям X, Y и Z как по отдельности, так и одновременно, а это означает, что исключительная точность движения и позиционирования достижима без использования энкодеров и другого дополнительного программного обеспечения или датчиков. .

Большинство 3D-принтеров оснащены несколькими шаговыми двигателями — они обычно находятся как на самих платформах для сборки, так и в экструдерах нитей, где они используются для протягивания нити и контроля постоянной и равномерной подачи материала в машину на протяжении всего процесса. полная продолжительность тиража.

Шаговые двигатели для ЧПУ

Шаговые двигатели являются альтернативой серводвигателям для питания большинства типов станков с ЧПУ. Приложения ЧПУ включают в себя очень широкий спектр производственных процессов, в которых предварительно запрограммированное компьютерное программное обеспечение управляет работой и физическим перемещением станков в заводских и производственных условиях.

Хотя шаговые двигатели в приложениях с ЧПУ часто рассматриваются как более «бюджетная» альтернатива серводвигателям , это упрощение, основанное на знаниях о старых технологиях, которые сегодня не всегда точны. Шаговые двигатели действительно обычно дешевле серводвигателей той же мощности, но современные версии, как правило, столь же универсальны. В результате шаговые двигатели стали гораздо более доступными и используются в гораздо более широком спектре машин и систем, от станков до настольных компьютеров и автомобилей.

Шаговые двигатели с ЧПУ также имеют одно очень важное преимущество перед серводвигателями, заключающееся в том, что им не требуется энкодер. Серводвигатели по своей природе более сложны для понимания и эксплуатации, чем версии с шаговыми двигателями, и часть этой сложности заключается в том, что они включают в себя энкодер, который более подвержен отказам, чем большинство компонентов надежного в остальном серводвигателя. Шаговым двигателям не нужен энкодер, что теоретически делает их более надежными, чем сервоприводы.

Кроме того, тот факт, что шаговые двигатели также являются бесщеточными (в отличие от серводвигателей), означает, что они не требуют регулярной плановой замены при условии, что их подшипники остаются в хорошем рабочем состоянии.

Шаговые двигатели для Raspberry Pi

Шаговые двигатели — чрезвычайно распространенное периферийное устройство для добавления к одноплатным вычислительным модулям Raspberry Pi для домашних энтузиастов, изучающих основы базовых навыков компьютерного программирования.

Стартовые комплекты Raspberry Pi обычно продаются в очень простой конфигурации, при этом идея заключается в том, что отдельный пользователь будет добавлять любые дополнительные компоненты, которые ему нравятся, в свою систему в том порядке, в котором он хочет узнать о них, пополняя свой набор навыков, изучая для управления новыми компонентами с помощью языков программирования, таких как Python.

В сообществе пользователей Raspberry Pi обучение управлению небольшими недорогими шаговыми двигателями очень часто рассматривается как логичный следующий шаг после обучения управлению циклами включения/выключения светодиодов и другими простыми типами переключателей или зуммеров. По сути, последовательно соединив пару таких шаговых двигателей, домашние любители могут приступить к созданию простого и программируемого робота.

На рынке Великобритании доступно множество подходящих типов шаговых двигателей для такого типа приложений, начиная с очень недорогих версий на 5 В, которые легко соединяются с разъемами на материнской плате Raspberry Pi.

Шаговые двигатели для камер

Шаговые двигатели широко используются в различных приложениях в высокотехнологичных камерах. Они используются как для управления высокоточными внутренними компонентами, такими как настройки автофокуса и диафрагмы в объективе, так и в корпусах и внешней механике камер безопасности и систем удаленного мониторинга.

В частности, шаговые двигатели и моторизованные ползунки камеры обеспечивают очень плавную работу устройств для позиционирования камеры, а это означает, что кадры, снятые с устройств безопасности, могут быть надежно защищены от потенциально проблемных искажений изображения, вызванных физическим движением камеры вокруг ее поля зрения. Посмотреть.

Шаговые двигатели обладают рядом других привлекательных особенностей для использования в камерах и системах видеонаблюдения, включая полный крутящий момент в состоянии покоя, чрезвычайно точное и мгновенное время отклика на все входные данные движения, постоянную повторяемость заранее определенных движений и простое управление без обратной связи, определяемое фиксированные размеры шага.

Резюме

Шаговые двигатели — это невероятно универсальный, надежный, экономичный и точный способ управления точными движениями двигателей, позволяющий пользователям повысить ловкость и эффективность запрограммированных движений в огромном разнообразии приложений и отраслей.