Двигатель шаговый схема: Шаговые двигатели. Принцип работы и управление — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

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

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как 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.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, 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, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она требует сложного коммутатора.

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 — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

Шаговый электродвигатель — это вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления [1].

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].

Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.

Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Гибридный шаговый электродвигатель

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель — имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель — маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Реактивный шаговый двигатель — синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор — четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:

где N_R — количество полюсов ротора;
N_S – количество полюсов статора.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].

Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.

ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности («+» и «-«) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

униполярной;
биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.

Полушаговое управление

Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

Полушаговое управление — комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки.

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Ротор гибридного шагового двигателя

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
статор имеет не менее чем две фазы;
зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Подключение шагового двигателя: схема подключения

Шаговый двигатель, биполярный или униполярный, представляет собой электрическое устройство постоянного тока, разделяющее оборот на определённое количество шагов. Количество и величина шагов задаётся специальным устройством, именуемым контроллер шагового двигателя. Схема шаговый двигатель + контроллер шагового двигателя широко применяется в самых различных механизмах, от бытовой техники до ЧПУ. ШД обеспечивает стабильную и бесперебойную работу оборудования, частью которого он является, однако прежде чем начать работу, его необходимо правильно подключить.

Подключение шагового двигателя

В общем и целом процесс подключения шагового двигателя не является затруднительным. В первую очередь нужно определить, какой тип ШД используется. Для этого следует обратить внимание на то, сколькими проводами снабжён электропривод. В зависимости от типа, шаговый двигатель может иметь 4, 5, 6 или 8 проводов.

Шаговый двигатель с 4 проводами может использоваться совместно только с биполярными устройствами. Каждая из двух фазных обмоток такого электродвигателя имеет пару проводов с непрерывной связью. Драйвер ШД в данном случае подключается пошагово.

Шаговый двигатель, оснащённый 6-ю или 8-ю проводами, помимо пары проводов для каждой из обмоток имеет также центр-кран для каждой из них. Такой электродвигатель считается униполярным и может быть подключён как к биполярным, так и к униполярным устройствам. Для разделения провода при подключении униполярного ШД рекомендуется использовать измерительный прибор. Если униполярный шаговый двигатель подключается к однополярному элементу, допускается использование всех проводов. Если же подключение необходимо произвести к биполярному оборудованию, используются один конец провода и один центральный кран для каждой из обмоток.

Шаговый двигатель с 5-ю проводами схож с шестипроводным, однако центральные клеммы такого электродвигателя соединяются внутри сплошным кабелем, после чего выводятся к одному проводу. Разделение проводов в таком механизме – довольно трудоёмкий процесс, который очень сложно произвести без разрывов. Наиболее безопасным и эффективным выходом из ситуации при подключении такого прибора является определение центра провода с последующим соединением его с другими проводниками.

Стандартной схемой, использующейся для подключения 4-выводного биполярного ШД к драйверу или контроллеру является подключение первой обмотки к разъёмам А и А*, а второй – непосредственно к контроллеру через разъёмы B и B*. Разъёмы контроллера Dir и Step при таком методе подключения не используются; программное управление осуществляется при помощи генератора импульсов.

ВНИМАНИЕ – всегда проверяйте цветовую схему выводов, шаговый двигатель от конкретного производителя отличается от абсолютно аналогичного ШД другого производителя, а значит, может иметь другую цветовую схему выводов!

По вопросу подключения шагового двигателя, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону по России (звонок бесплатный) 8 800 5555 068 либо по электронной почте.

Схемы управления шаговыми двигателями

Современные шаговые двигатели, гибридые либо ШД на постоянных магнитах, как правило, производятся с двумя обмотками (4 вывода), с двумя обмоткми и центральными отводами (6 либо 5 выводов) и с четырьмя обмотками (8-ми выводные ШД). Биполярные двигатели имеют две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Униполярные двигатели также имеют две по обмотки, но у каждой из них есть центральный отвод, что позволяет использовать для управления двигателем простой униполярный драйвер (т. е. переключать направление магнитного поля, создаваемого обмотками двигателя переполюсовкой половин обмоток двигателя). Иногда средние отводы могут быть объединены внутри двигателя, такой двигатель может иметь 6 или 5 выводов. В силу простоты униполярной схемы управления эти двигатели находят широкое применение в самых различнх областях промышленности.

Однако большинство драйверов предназначено для управления биполярными двигателями. При тех же габаритах биполярный шаговый двигатель обеспечивает больший момент по сравнению с униполярным. Поэтому наибольший практический интерес у новичков вызывает именно схема управления биполярным шаговым двигателем.

Постараемся разабраться, каким образом можно подключить 6-ти или 8-ми выводной мотор к биполярной схеме управления и как при этом изменяются электрические характеристики двигателя?

6-ти выводные шаговые двигатели

Для подключения 6-ти выводного шагового двигателя к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из двух способов — униполярное либо биполярное подключение обмоток двигателя.

Униполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на средних и высоких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — использовать центральный отвод.

Электрические характеристики двигателя — ток обмотки, сопротивление обмотки, статический крутящий момент, индуктивность обмоток и др. — в этом случае равны данным, приведенным в каталоге.

Биполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на низких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — биполярное.

При таком типе подключения нужно уменьшить ток, подаваемый на обмотки двигателя в √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при последовательном включении обмоток требуемый ток — 1.4 А, то есть в 1.4 раза меньше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R — именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.}²* R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится I_{биполяр.}²* 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.}²* R = I_{биполяр.}²* 2* R, откуда

I_{биполяр.}= I_{униполяр.}/ √2, т.е.

I_{биполяр.}= 0.707 * I_{униполяр.}

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Итак, характеристики ШД будут такими:

Параметр	Значение
Ток обмотки, А	I_{биполяр.}= 0.707 * I_{униполяр.}
Сопротивление обмотки, Ом	R_{биполяр.} = 2 * R_{униполяр.}
Индуктивность обмотки, мГн	L_{биполяр.} = L_{униполяр.}
Крутящий момент, кг×см	T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

8-ми выводные шаговые двигатели

Для подключения 8-ми выводного шагового двигателя (то есть двигателя с четырьмя обмотками) к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из трех способов — униполярное, последовательное либо параллельное подключение обмоток двигателя.

Униполярное подключение шагового двигателя (схема электрическая)

Если требуется вращать двигатель на средних скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения — использовать лишь две из четырех обмоток.

Биполярное последовательное подключение шагового двигателя (схема электрическая)

Наиболее эффективно для низкоскоростного диапазона рабочих скоростей двигателя.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.}²* R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится I_{послед.}²* 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.}²* R = I_{послед.}²* 2* R, откуда

I_{послед.}= I_{униполяр.}/ √2, т.е.

I_{послед.}= 0.707 * I_{униполяр.}

T_{послед.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Итак, характеристики ШД будут такими:

Параметр	Значение
Ток обмотки, А	I_{биполяр.}= 0.707 * I_{униполяр.}
Сопротивление обмотки, Ом	R_{биполяр.} = 2 * R_{униполяр.}
Индуктивность обмотки, мГн	L_{биполяр.} = L_{униполяр.}
Крутящий момент, кг×см	T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Биполярное параллельное подключение шагового двигателя (схема электрическая)

Наиболее эффективно использование параллельного включения обмоток для высоких скоростей.

При таком типе подключения нужно увеличить ток, подаваемый на обмотки двигателя в √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при параллельном включении обмоток требуемый ток — 2.8 А, то есть в 1.4 раза больше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R — именно оно приведено в каталоге). При параллельном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки уменьшаетсяв два раза (0.5 R).

Потребляемая мощность при униполярном включении — I_{униполяр.}²* R

При параллельнном включении обмоток потребляемая мощность становится 0.5 * I_{биполяр.}²* R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I_{униполяр.}²* R = 0.5 * I_{биполяр.}² * R, откуда I_{биполяр..}= I_{униполяр.}/√2, т.е.

I_{биполяр.}= 1.4 * I_{униполяр.}

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением величины тока, пропускаемого через обмотки. Но так как ток увеличился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Итак, характеристики ШД будут такими:

Параметр	Значение
Ток обмотки, А	I_{биполяр.}= 1.4 * I_{униполяр.}
Сопротивление обмотки, Ом	R_{биполяр..} = 0.5 * R_{униполяр.}
Индуктивность обмотки, мГн	L_{биполяр..} = 4 * L_{униполяр.}
Крутящий момент, кг×см	T_{биполяр.} = 1.4 * T_{униполяр.}

Пример: параметры ШД FL60STH86-2008AF для различных подключений

Параметр	униполярное	параллельное	последовательное
Ток/ фаза, А	2	2.8	1.4
Сопротивление обмотки, Ом	1.5	0.75	3
Индуктивность обмотки, мГн	3	1.5	6
Крутящий момент, кг×см	22 кг х см	31 кг х см	31 кг х см
Преимущества / недостатки	Средний момент при среднем энергопотреблении	Высокий момент при высоком потреблении тока	Высокий момент на низких скоростях при низком энергопотреблении
Максимальная эффективность	средний скоростной диапазон	высокоскоростной диапазон	низкоскоростной диапазон

Общий характер изменения динамических характеристик ШД в зависимости от типа подклюяения

Схема подключения шагового двигателя 4 провода

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.

В статье подробно рассказано о нескольких способах обновления BIOS на материнской плате Asus.

Теперь вы точно подберете идеальный ноутбук для работы или учебы!

Данная статья описывает преимущества SSD накопителей для приложений и игр. Также здесь выполняется сравнение между достоинств данного накопителя с устаревшим аналогом.

В статье речь идет о том, как отремонтировать пластмассовый китайский электрочайник.

Общие сведения:

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

Полношаговый режим – ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
Полушаговый режим – ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
Микрошаговый режим – ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» – «½» – «1» (как на картинке), а «0» – «¼» – «½» – «¾» – «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления – доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

Биполярный двигатель можно подключить только к драйверу биполярных двигателей.
6-выводной двигатель можно подключить к любому драйверу. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток внутри двигателя, последовательно или параллельно.
Униполярный двигатель, при необходимости, можно подключить и к драйверу биполярного двигателя по простой схеме из нескольких диодов (лучше использовать диоды Шоттки), но такое подключение гарантирует корректность работы униполярного двигателя только в полношаговом режиме.

Шаговые двигатели интересны тем, что позволяют повернуть вал на определённый угол. Соответственно, с их помощью можно повернуть вал и на определённое число оборотов, потому что N оборотов — это тоже определённый угол, равный 360*N, и, в том числе, на нецелое число оборотов, например на 0.75 оборота, 2.5 оборота, на 3.7 оборота и т.д. Этими возможностями шаговых двигателей определяется и область их применения. В основном они используются для позиционирования различных устройств: считывающих головок в дисководах, печатающих головок в принтерах и плоттерах и т.д.

Естественно такие возможности не могли обойти стороной и радиолюбители. Они с успехом используют шаговики в конструкциях самодельных роботов, самодельных станков с ЧПУ и т.д. Ниже описаны результаты моих опытов с шаговым двигателем, надеюсь, что кому-то это может оказаться полезным.

Итак, что нам понадобится для экспериментов. Во-первых, шаговый двигатель. Я брал 5-ти вольтовый китайский биполярный шаговик с загадочным названием, выдранный из старого 3,5″ дисковода, аналог M20SP-GW15. Во-вторых, поскольку обмотки двигателя потребляют значительный ток (в данном случае до 300 мА), то вполне понятно, что подключить шаговик к контроллеру напрямую не удастся, нужен драйвер.

В качестве драйвера для биполярных шаговых двигателей обычно используют схему так называемого H-моста или специальную микросхему (в которой всё равно встроен H-мост). Можно конечно ваять самому, но я взял готовую микруху (LB1838) из того же старого дисковода. Собственно, кроме всего вышеописанного, для наших экспериментов также понадобятся: PIC-контроллер (был взят PIC12F629, как самый дешёвый) и пара кнопок.

Перед тем, как перейти непосредственно к схеме, давайте немного разберёмся с теорией.

Биполярный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, подключается по четырём проводам. Найти концы обмоток можно простой прозвонкой — концы проводов, относящиеся к одной обмотке, будут между собой звониться, а концы, относящиеся к разным обмоткам, — нет. Концы первой обмотки обозначим буквами «a», «b», а концы второй обмотки буквами «c», «d».

На рассматриваемом экземпляре есть цифровая маркировка контактов возле мотора и цветовая маркировка проводов (бог его знает, может это тоже какой-то стандарт): 1 — красный, 2 — голубой — первая обмотка; 3 — жёлтый, 4 — белый — вторая обмотка.

Для того, чтобы биполярный шаговый двигатель вращался, необходимо запитывать обмотки в порядке, указанном в таблице. Если направление обхода таблицы выбрать сверху вниз по кругу, то двигатель будет вращаться вперёд, если снизу вверх по кругу — двигатель будет вращаться назад:

За один полный цикл двигатель делает четыре шага.

Для правильной работы, должна строго соблюдаться указанная в таблице последовательность коммутаций. То есть, например, после второй комбинации (когда мы подали + на вывод «c» и минус на вывод «d») мы можем подать либо третью комбинацию (отключить вторую обмотку, а на первой подать — на «a» и + на «b»), тогда двигатель повернётся на один шаг вперёд, либо первую комбинацию (двигатель повернётся на один шаг назад).

То, с какой комбинации нужно начинать вращение, определяется тем, какая последняя комбинация подавалась на двигатель перед его выключением (если конечно его руками потом не крутили) и желаемым направлением вращения.

То есть, допустим мы повернули двигатель на 5 шагов вперёд, подавая на него комбинации 2-3-4-1-2, потом обесточили, а потом захотели повернуть ещё на один шаг вперёд. Для этого на обмотки надо подать комбинацию 3. Пусть после этого мы его опять обесточили, а через какое-то время захотели вернуть его на 2 шага назад, тогда нам нужно подать на двигатель комбинации 2-1. И так далее в таком же духе.

Эта таблица, кроме всего прочего, позволяет оценить, что будет происходить с шаговым двигателем, если мы перепутаем порядок подключения обмоток или концы в обмотках.

На этом мы закончим с двигателем и перейдём к драйверу LB1838.

У этой микрухи есть четыре управляющие ноги (IN1, IN2, EN1, EN2), на которые мы как раз и будем подавать сигналы с контроллера, и четыре выходных ноги (Out1, Out2, Out3, Out4), к которым подключаются обмотки двигателя. Обмотки подключаются следующим образом: провод «a» подключается к Out1, провод «b» — к Out2, провод «c» — к Out3, провод «d» — к Out4.

Ниже представлена таблица истинности для микросхемы драйвера (состояние выходов в зависимости от состояния входов):

IN1	EN1	Out1 (a)	Out2(b)	IN2	EN2	Out3(c)	Out4(d)
Low	High	+	—	Low	High	+	—
High	High	—	+	High	High	—	+
X	Low	откл	откл	X	Low	откл	откл

Теперь давайте нарисуем на диаграмме, какую форму должны иметь сигналы IN1, EN1, IN2, EN2 для одного полного цикла вращения (4 шага), т.е. чтобы на выходах появились последовательно все 4 комбинации подключения обмоток:

Если присмотреться к этой диаграмме (слева), то становится очевидно, что сигналы IN1 и IN2 можно сделать абсолютно одинаковыми, то есть на обе этих ноги можно подавать один и тот же сигнал. В этом случае наша диаграмма будет выглядеть так:

Итак, на последней диаграмме нарисовано, какие комбинации уровней сигналов должны быть на управляющих входах драйвера (EN1, EN2, IN1, IN2) для того, чтобы получить соответствующие комбинации подключения обмоток двигателя, а также стрелками указан порядок смены этих комбинаций для обеспечения вращения в нужную сторону.

Вот в общем-то и вся теория. Необходимые комбинации уровней на управляющих входах формируются контроллером (мы будем использовать PIC12F629).

R1..R2 = 1 кОм. Когда соответствующая кнопка не нажата — резистор подтягивает напряжение на входе контроллера к +5 В (высокий уровень). При нажатии на кнопку напряжение на входе подтягивается к земле (низкий уровень).

С1, С2 = 0,1 мкФ — керамические конденсаторы.

С3 = 470 мкФ х 16В — электролитический конденсатор.

Программа управления реализует следующий алгоритм: при нажатии кнопки КН1 двигатель поворачивается на один шаг в одну сторону, а при нажатии кнопки КН2 — на один шаг в другую сторону.

Собственно говоря, можно прикрутить сюда программный UART и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс. У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите. Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

5 или 6-выводной униполярный,
биполярный с последовательно соединенными обмотками,
биполярный с параллельно соединенными обмотками,
биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

Еще по этой теме

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

Теория управления шаговыми двигателями

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

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

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

Несимметричная система коммутации

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

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

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

K_T=m_yn₁n₁,
где n₁=1 при симметричной системе коммутации;
n₁=2 при несимметричной системе коммутации;
n₂=1 при однополярной коммутации;
n₂=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; 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:

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

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ 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

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

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 магнитопровода 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.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

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

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Продолжение статьи (на англ. языке)

Схема драйвера шагового двигателя

Введение

Драйвер шагового двигателя — это схема или устройство, которое обеспечивает необходимый ток и напряжение для шагового двигателя, чтобы он работал бесперебойно. Шаговый двигатель — это тип двигателя постоянного тока, который вращается ступенчато.

Основное различие между простым двигателем постоянного тока и шаговым двигателем заключается в том, что с помощью шагового двигателя мы можем добиться точного позиционирования с помощью цифрового управления.

Шаговый двигатель вращается точно за счет синхронизации импульсных сигналов от контроллера, которые подаются через драйвер.Драйвер шагового двигателя — это схема, которая принимает импульсные сигналы от контроллера и преобразует их в движение шагового двигателя.

В этом проекте мы разработали простую схему драйвера шагового двигателя на 12 В с использованием микросхемы таймера 555 (действующей как контроллер), счетчика декад CD4017 (действующего как драйвер) и нескольких других компонентов.

Принципиальная схема

Необходимые компоненты

555 Таймер IC
CD4017 Счетчик декады Джонсона (10 декодированных выходов)
4 x 2N2222 NPN транзисторы
4 x 1N4007 PN переходные диоды
4 x 1 кОм 1/4 Вт)
2.Резистор 2 кОм (1/4 Вт)
Резистор 470 Ом (1/4 Вт)
Потенциометр 100 кОм (тип ручки)
Керамический дисковый конденсатор 100 пФ (код — 101) (также читается как 0,1 нФ)
Поляризованный конденсатор 1 мкФ 16 В
Шаговый двигатель 12 В (униполярный — 5 проводов)
Соединительные провода
Макетная плата (макетная плата)
Источник питания 12 В

Описание компонентов

Таймер 555 IC

IC 555 — очень известный таймер ИС, которая часто используется для временных задержек, генерации импульсов и многих приложений генератора.IC 555 имеет три режима работы: нестабильный мультивибратор (генератор импульсов), моностабильный мультивибратор (временные задержки) и бистабильный мультивибратор (триггер). В этом проекте мы использовали эту микросхему 555 для генерации импульса, то есть в нестабильном режиме работы.

ИС счетчика декад CD4017

CD4017 — ИС счетчика, которая выдает 10 декодированных выходов и, следовательно, счетчик декады. Эти счетчики часто используются в дисплеях, операциях частотного деления, двоичных счетчиках и т. Д.

Но в этом проекте мы используем микросхему счетчика CD4017 в качестве драйвера шагового двигателя.И, следовательно, эта схема драйвера шагового двигателя по сути является схемой двоичного счетчика.

Шаговый двигатель

В этом проекте используется шаговый двигатель 12 В. Это шаговый двигатель униполярного типа с 5-проводной конфигурацией. В основном, шаговые двигатели классифицируются на униполярные шаговые двигатели и биполярные шаговые двигатели в зависимости от обмоток статора. На следующем изображении показан биполярный шаговый двигатель с его обмоткой.

Схема драйвера для униполярного шагового двигателя может быть построена с помощью нескольких транзисторов или транзисторной ИС Дарлингтона, такой как ULN2003.

Но для схемы драйвера биполярного шагового двигателя требуется соединение типа Н-мост. Следовательно, мы используем ИС с H-мостом, такие как L293D, для управления биполярными шаговыми двигателями.

Проектирование схем

Мы начнем с генератора прямоугольных импульсов, то есть микросхемы 555 в нестабильном режиме. Резистор 2,2 кОм подключен между VCC и разрядным контактом 555 (контакт 7).

Потенциометр 100 кОм подключен между разрядным контактом (контакт 7) и пороговым контактом (контакт 6), который, в свою очередь, закорочен с контактом триггера (контакт 2).

Конденсатор емкостью 1 мкФ подключен между контактом триггера (контакт 2) и GND. Байпасный конденсатор 100 пФ подключен к выводу управляющего напряжения (вывод 5). Другие контакты, то есть VCC (контакт 8), подключены к источнику питания 12 В, контакт сброса (контакт 4) к источнику питания 12 В и контакт заземления (контакт 1) к GND.

Выход микросхемы таймера 555, т. Е. Вывод 3, подается как вход тактового сигнала на микросхему счетчика CD4017, т. Е. На ее 14-й вывод. Контакты VDD и VSS CD4017, то есть контакты 16 и 8, подключены к источнику питания 12 В и заземлению соответственно.Контакт включения (контакт 13) подключен к земле.

Нам нужно управлять 4 клеммами катушек двух катушек в шаговом двигателе. Следовательно, нам нужно всего 4 выхода от драйвера. Это выходы от Q0 до Q3, то есть контакты 3, 2, 4 и 7 соответственно. Выходы счетчика подключены к базовым клеммам 4 транзисторов через отдельные резисторы 1 кОм.

Счетчик должен сбрасываться при пятом импульсе и, следовательно, Q4 (вывод 10), который только пятым выходом подключен к выводу сброса CD4017 i.е. контакт 15, и этот контакт подключен к GND через резистор 470 Ом.

Шаговый двигатель униполярного типа с 5-проводной конфигурацией. Центральный контакт закорочен внутри и подключен к источнику питания (здесь 12 В).

Остальные 4 вывода шагового двигателя являются концами двух катушек. Они должны быть подключены к клеммам коллектора четырех транзисторов.

Важно, чтобы они были подключены в последовательности срабатывания выходов. Наконец, между клеммами коллектора и питанием подключены четыре диода.Диоды очень важны, поскольку они защищают транзисторы от индуктивных всплесков.

Работа схемы драйвера шагового двигателя

Работа схемы драйвера шагового двигателя очень проста. Мы увидим пошаговое объяснение работы. Во-первых, микросхема таймера 555 настроена как нестабильный мультивибратор, то есть действует как генератор прямоугольных сигналов.

В зависимости от положения потенциометра частота прямоугольной волны будет варьироваться от 7 Гц до 340 Гц.

Этот прямоугольный сигнал подается на ИС счетчика CD4017 в качестве тактового входа. Для каждого положительного перехода тактового сигнала, то есть перехода от низкого уровня к высокому, выход счетчика увеличивается на один счет.

Для первого положительного перехода на тактовом сигнале Q0 будет высоким, для второго положительного перехода Q1 будет высоким и так далее.

Так как нам нужно только 4 выхода, пятый выход, то есть Q4, подключен к выводу сброса, так что счетчик сбросится, и счет начнется снова.

Выходы микросхемы счетчика CD4017 подаются на 4 различных транзистора, которые, в свою очередь, подключены к 4 клеммам катушки шагового двигателя. Мы можем лучше понять следующую диаграмму.

Предположим, что точки A, B, C и D являются контактами катушек, подключенных к транзисторам. На общий провод в шаговом двигателе подается напряжение 12 В.

Когда первый тактовый сигнал подается на CD4017, Q0 становится ВЫСОКИМ. Это включит соответствующий транзистор.

В результате питание от общего провода идет через точку А на землю. Это возбуждает катушку и действует как электромагнит. Ротор притянется и повернется в это положение.

Во время второго тактового импульса выход Q1 становится ВЫСОКИМ, и в результате связанный с ним транзистор включается. Теперь ток течет от общего провода к GND через точку B.

Следовательно, эта катушка будет находиться под напряжением и превратится в электромагнит. Это приведет к дальнейшему вращению ротора.Этот процесс продолжается, и в зависимости от частоты тактового сигнала изменяется скорость вращения шагового двигателя.

Преимущества

Здесь разработан драйвер шагового двигателя DIY типа, который может управлять униполярными шаговыми двигателями.
Используя этот драйвер шагового двигателя, мы можем избежать дорогостоящих специализированных плат драйверов шагового двигателя.

Недостатки

Такая конструкция неэффективна.
Требуется много сложной проводки для небольшого приложения.

Конструкция и вывод видео

Драйвер шагового двигателя (электрическая схема и схема)

Что такое драйвер шагового двигателя?

Драйвер шагового двигателя (или привод шагового двигателя ) — это схема, используемая для приведения в действие или запуска шагового двигателя. Драйвер шагового двигателя обычно состоит из контроллера, драйвера и соединений шагового двигателя.

Сегодня на рынке доступно множество схем драйверов.

Со временем их стало проще и проще связывать с шаговым двигателем.

Вы можете почти мгновенно запустить двигатель, как только вы подключите к нему схемы драйвера.

Эти схемы имеют номинальные значения тока и напряжения, поэтому важно выбрать правильную схему драйвера в соответствии с номинальными параметрами двигателя.

Основные компоненты привода шагового двигателя

Контроллер (по сути, микроконтроллер или микропроцессор)
ИС драйвера для управления током двигателя
Блок питания

Контроллер шагового двигателя

Выбор контроллера первый шаг к созданию драйвера.Он должен иметь как минимум 4 выходных контакта для шагового двигателя. Кроме того, он должен содержать таймеры, АЦП, последовательный порт и т. Д. В зависимости от приложения, в котором будет использоваться драйвер.

Драйвер шагового двигателя

В настоящее время люди переходят от дискретных компонентов драйверов, таких как транзисторы, к более компактным интегрированным ИС.

Эти микросхемы драйверов доступны по разумной цене и их легче реализовать при сборке, что сокращает общее время разработки схемы.

Драйверы должны быть выбраны в соответствии с номинальными характеристиками двигателя с точки зрения тока и напряжения. Драйверы серии ULN2003 наиболее популярны в приложениях, не основанных на H-мосте, например, для привода с шаговым двигателем .

Каждая пара Дарлингтона внутри ULN может выдерживать ток до 500 мА, а максимальное напряжение может достигать 50 В постоянного тока.

Источник питания для привода шагового двигателя

Шаговый двигатель может работать при напряжениях от 5 до 12 В, и аналогично потребляемый ток будет в диапазоне от 100 до 400 мА.

Поставщик предоставит спецификации двигателя. Соответственно, надо спроектировать поставку. Мощность необходимо регулировать так, чтобы можно было избежать колебаний скорости и крутящего момента.

Блок питания

Поскольку стабилизатор напряжения 7812 может выдерживать ток только до 1 А, здесь используется внешний транзистор. Он может выдерживать ток 5 А. В зависимости от общего потребляемого тока должен быть предусмотрен надлежащий радиатор.

На приведенной выше блок-схеме показана последовательность соединений и взаимосвязей между различными компонентами платы драйвера.

Разные компоненты

Переключатели, потенциометры
Радиатор
Соединительные провода

Комплексный привод шагового двигателя

Привод шагового двигателя — это глупая электроника, если вы не запрограммируете микроконтроллер для правильной подачи сигналов на шаговый двигатель через драйвер.

Шаговый двигатель может работать во многих режимах, таких как полный шаг, волновой привод или полушаговый (последовательность шагов см. В статье о шаговых двигателях).

Следовательно, мы должны сделать драйвер достаточно интерактивным, чтобы он мог принимать команды от пользователя и выполнять требуемые шаги. Также мы должны контролировать скорость вращения. Команда пуска / останова должна запускать или останавливать вращение двигателя.

Для выполнения вышеуказанных функций нам необходимо использовать дополнительные контакты на микроконтроллере. Два контакта необходимы для выбора типа шага и для запуска или остановки двигателя.

Один вывод требуется для подключения потенциометра, который будет действовать как регулятор скорости.АЦП внутри микроконтроллера будет использоваться для управления скоростью вращения.

Программный алгоритм

Инициализировать контакты порта в режимах ввода / вывода.
Инициализировать модуль АЦП.
Создайте отдельные функции для полушага, полного шага, волнового привода и задержки.
Проверьте два контакта порта на рабочий режим (00 остановок, 01 волна возбуждения, 10 полных шагов, 11 половинных шагов).
Перейти к соответствующей функции.
Считайте значение потенциометра через АЦП и, соответственно, установите значение задержки.
Завершите один цикл последовательности.
Переходите к шагу 4.

Плата драйвера

Если вы планируете изготовить свою собственную плату с использованием программного обеспечения САПР, такого как EAGLE, убедитесь, что вы обеспечиваете достаточную толщину, чтобы токи двигателя проходили без перегрева платы.

Кроме того, поскольку двигатели являются индуктивными компонентами, следует проявлять осторожность, чтобы не нарушить другие пути прохождения сигнала из-за помех. Необходимо соблюдать надлежащие проверки ERC и DRC.

Примечание:
Создание драйвера шагового двигателя больше касается выбора правильного источника питания и драйвера, а выбор микроконтроллера является второстепенным.

Многие микроконтроллеры могут выполнять простую работу по вращению двигателя. Тем не менее, конструктивные соображения относительно напряжений и токов, на которые вы должны обратить внимание при разработке драйвера.

Кроме того, одна плата драйвера должна обрабатывать напряжения и токи в широком диапазоне, а не только для одного двигателя. Это позволит вам использовать одну и ту же доску во многих разных проектах, а не создавать новую каждый раз.

Как правильно выбрать микросхему драйвера для шаговых двигателей

В этой статье обсуждаются особенности и функциональные возможности интегральных схем, которые упрощают задачу управления шаговым двигателем.

В предыдущей статье мы исследовали проблему управления типичным (то есть щеточным) двигателем постоянного тока с помощью интегральных схем. Эти устройства обеспечивают функциональность, которая значительно упрощает реализацию высокопроизводительной системы, построенной на щеточном двигателе постоянного тока, и то же самое верно для ИС, которые могут управлять шаговыми двигателями.

Краткий обзор: Как управлять шаговым двигателем

Типичный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет две обмотки. Если в системе используется биполярный драйвер, вращение достигается за счет применения определенной схемы прямого и обратного тока через две обмотки.Таким образом, биполярный привод требует наличия H-образной перемычки для каждой обмотки. Униполярный привод использует четыре отдельных драйвера, и они не должны иметь возможность подавать ток в обоих направлениях: центр обмотки предоставляется как отдельное соединение двигателя, и каждый драйвер обеспечивает протекание тока от центра обмотки к концу. обмотки. Ток, связанный с каждым драйвером, всегда течет в одном направлении.

Биполярный привод (слева) и униполярный привод (справа).Направление тока в униполярной системе указывает на то, что центр каждой обмотки подключен к напряжению питания двигателя.

Общие ИС для шагового управления

Первое, что нужно иметь в виду, это то, что ИС, предназначенные для базовых функций управления двигателем — или даже просто для базовых функций драйвера — могут использоваться с шаговыми двигателями. Вам не нужна ИС, которая специально помечена или продается как устройство с шаговым управлением. Если вы используете биполярный привод, вам потребуется два Н-моста на шаговый двигатель; Если вы выбираете однополярный подход, вам нужно четыре драйвера для одного двигателя, но каждый драйвер может быть одним транзистором, потому что все, что вы делаете, — это включаете и выключаете ток, а не меняете его направление.

Примером детали из категории «универсальная ИС» является DRV8803 от Texas Instruments. Это устройство описывается как «драйверное решение для любого приложения с переключателем низкого уровня».

Схема из таблицы DRV8803.

В таком устройстве центр обмоток шагового двигателя подключается к напряжению питания, и обмотки получают питание путем включения транзисторов со стороны низкого напряжения, чтобы они пропускали ток от источника питания через половину обмотки. , через транзистор на землю.

Подход с универсальной ИС удобен, если у вас уже есть подходящий драйвер или у вас есть опыт работы с ним — вы можете сэкономить несколько долларов, повторно используя старую деталь, или вы можете сэкономить время (и снизить вероятность ошибок проектирования), включив известный и проверенная часть в вашей схеме шагового контроллера. Обратной стороной является то, что более сложная ИС может обеспечить расширенную функциональность и обеспечить более простую задачу проектирования, и именно поэтому я предпочитаю драйвер шагового двигателя с дополнительными функциями.

Полнофункциональные драйверы шагового двигателя

Высокоинтегрированные контроллеры шаговых двигателей могут значительно снизить объем проектных работ, связанных с приложениями с более производительными шаговыми двигателями. Первая полезная функция, которая приходит на ум, — это автоматическая генерация пошаговых шаблонов, то есть способность преобразовывать простые входные сигналы управления двигателем в требуемые пошаговые шаблоны.

Возьмем для примера L6208 от STMicroelectronics.

Схема взята из таблицы данных L6208.

Вместо логических входов, которые напрямую управляют током, подаваемым на обмотки двигателя, L6208 имеет

штифт, который выбирает между полушагом и полушагом,
штифт, задающий направление вращения,
и входной вывод «часы», который заставляет внутренний конечный автомат управления двигателем продвигаться на один шаг в ответ на нарастающий фронт.

Этот интерфейс гораздо более интуитивно понятен, чем фактические последовательности включения / выключения, которые применяются к транзисторам, подключенным к обмоткам (пример которых приведен ниже).

Это полношаговый шаблон для управления биполярным шаговым двигателем. «A» и «B» относятся к двум обмоткам, а столбцы «Q» указывают состояние транзисторов, которые управляют током обмотки. Таблица взята из этой заметки о приложении, опубликованной Silicon Labs.

Микрошагов

Как следует из названия, микрошаг заставляет шаговый двигатель совершать вращение, которое значительно меньше одного шага. Это может быть 1/4 шага, 1/256 шага или что-то среднее между ними.Микрошаговый режим позволяет позиционировать двигатель с более высоким разрешением, а также обеспечивает более плавное вращение. В некоторых приложениях микрошаг совсем не нужен. Однако, если ваша система может выиграть от чрезвычайно точного позиционирования, более плавного вращения или снижения механического шума, вам следует подумать о микросхеме драйвера, которая имеет возможность микрошага.

TMC2202 от Trinamic является примером микрошагового контроллера шагового двигателя.

Схема взята из таблицы данных TMC2202.

Размер шага может составлять всего 1/32 от полного шага, и кроме того, есть какая-то функция интерполяции, которая обеспечивает «полную плавность 256 микрошагов». Этот чип также дает вам представление о том, насколько сложным может быть драйвер шагового двигателя — он имеет интерфейс UART для управления и диагностики, специализированный алгоритм драйвера, улучшающий режим ожидания и работу на низкой скорости, а также различные другие вещи, о которых вы можете прочитать в 81-страничное техническое описание детали.

Заключение

Если у вас есть микроконтроллер для генерации пошагового шаблона и достаточно времени и мотивации для написания надежного кода, вы можете управлять шаговым двигателем с помощью дискретных полевых транзисторов.Однако почти во всех ситуациях предпочтительнее использовать какую-либо микросхему, и, поскольку существует так много устройств и функций на выбор, у вас не должно возникнуть особых трудностей с поиском части, которая хорошо подходит для вашего приложения.

Шаговые двигатели | Двигатели переменного тока

Шаговый двигатель против серводвигателя

Шаговый двигатель — это «цифровая» версия электродвигателя. Ротор движется дискретными шагами по команде, а не вращается непрерывно, как в обычном двигателе.При остановке, но под напряжением, шаговый двигатель (сокращенно от шагового двигателя) удерживает свою нагрузку стабильно с удерживающим моментом .

Широкое распространение шаговых двигателей за последние два десятилетия было вызвано появлением цифровой электроники. Современная электроника на твердотельных драйверах была ключом к ее успеху. Кроме того, микропроцессоры легко подключаются к схемам драйвера шагового двигателя.

С точки зрения применения предшественником шагового двигателя был серводвигатель. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением.Стоимость и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибки). Это все еще способ позиционировать тяжелые грузы, недоступные для шаговых двигателей с меньшей мощностью.

Для высокого ускорения или необычно высокой точности по-прежнему требуется серводвигатель. 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 против серводвигателя

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

Сервоусилитель — это линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретными компонентами. Чтобы оптимизировать коэффициент усиления сервоусилителя в зависимости от фазовой характеристики механических компонентов, требуются значительные конструкторские усилия. Драйверы шагового двигателя представляют собой менее сложные твердотельные переключатели, которые могут быть либо «включены», либо «выключены».Таким образом, контроллер шагового двигателя менее сложен и дорог, чем контроллер серводвигателя.

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

Формы сигналов возбуждения биполярных сигналов (±) прямоугольных импульсов 2-24 В в наши дни более распространены. Биполярные магнитные поля могут также создаваться униполярными напряжениями (одна полярность), приложенными к чередующимся концам обмотки с центральным отводом (рисунок ниже).

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

Униполярный привод катушки с центральным отводом в точке (b), имитирует переменный ток в одиночной катушке в точке (a)

Характеристики

Шаговые двигатели

надежны и недороги, поскольку в роторе нет контактных колец обмотки или коммутатора.Ротор представляет собой твердое тело цилиндрической формы, 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, вращая рукой без питания, показывая крутящий момент фиксации , пульсации крутящего момента. Катушки шагового двигателя намотаны внутри многослойного статора, за исключением конструкции , которая может быть уложена в стопку конструкции . Фаз намотки может быть от двух до пяти.

Эти фазы часто делятся на пары.Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, разнесенных друг от друга на 90, 90, 147 °, . 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, номинальная мощность в лошадиных силах отсутствует. Если они вращаются непрерывно, они даже не приблизятся к номинальной мощности в лошадиных силах. По сравнению с другими двигателями это действительно небольшие устройства с низким энергопотреблением.

Они имеют номинальный крутящий момент до тысячи унций (дюймов-унций) или десяти Н-м (ньютон-метров) для блока размером 4 кг. Шаговый двигатель маленького размера «копейки» имеет крутящий момент в одну сотую ньютон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство шаговых двигателей имеют диаметр в несколько дюймов с крутящим моментом в доли нм или несколько дюймов на дюйм.

Доступный крутящий момент является функцией скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и приводной электроники, как показано на кривой скорости и крутящего момента ниже. Удерживающий шаговый двигатель под напряжением имеет относительно высокий удерживающий момент , номинальный .Для работающего двигателя доступен меньший крутящий момент, который снижается до нуля на некоторой высокой скорости.

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

Скоростные характеристики шагового двигателя

Шаговые двигатели

перемещаются по одному шагу за раз, угол шага при изменении формы волны возбуждения. Угол шага связан с деталями конструкции двигателя: числом витков, числом полюсов, числом зубцов.Это 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 на полутонов .

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

На практике частота шагов увеличивается во время пуска значительно ниже 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 моменту втягивания . Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель возникает из-за фрикционной (тормозной) и инерционной (маховик) нагрузок на вал двигателя. Когда двигатель набирает обороты, крутящий момент отрыва является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: переменное магнитное сопротивление, постоянный магнит и гибридные.Шаговый двигатель с переменным 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 зубцы из мягкой стали, добавленные к ротору с постоянным магнитом для уменьшения угла шага.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Шаговый двигатель с регулируемым магнитным сопротивлением использует магнитный поток, который ищет путь с наименьшим сопротивлением через магнитную цепь. Это означает, что магнитно-мягкий ротор неправильной формы будет двигаться, замыкая магнитную цепь, сводя к минимуму длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением.

Статор обычно имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, ротор — четыре выступающих полюса, что дает угол шага 30 ° . Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при вращении рукой идентифицируется как шаговый двигатель с переменным сопротивлением.

Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением

Формы сигналов возбуждения для шагового двигателя с 3 фазами 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 на каждом шаге ротор перемещается меньше, чем угол статора. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением шаговый угол определяется по формуле:

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

Последовательность шагов 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, чего не происходит! Точечный зуб ротора не перемещается на следующий зуб статора. Вместо этого поле статора φ2 притягивает другой зуб при перемещении ротора против часовой стрелки, который представляет собой меньший угол (15 ° ), чем угол статора 30 ° .

Угол зуба ротора 45 ° учитывается при вычислении по приведенному выше уравнению. Ротор перемещается против часовой стрелки к следующему зубцу ротора под углом 45 ° , но совмещается с правым углом на 30 ° зуба статора.Таким образом, фактический угол шага — это разница между углом статора 45 ° ° и углом ротора 30 °.

Как далеко повернулся бы шаговый двигатель, если бы ротор и статор имели одинаковое количество зубцов? Ноль — без обозначений.

При запуске в состоянии покоя с включенной фазой φ1 требуются три импульса (φ2, φ3, φ4) для совмещения «точечного» зуба ротора со следующим зубцом статора против часовой стрелки, который составляет 45 ° . С 3 импульсами на зуб статора и 8 зубцами статора, 24 импульса или шагов перемещают ротор на 360 ° .

При изменении последовательности импульсов направление вращения меняется на противоположное вверху справа. Направление, частота шагов и количество шагов регулируются контроллером шагового двигателя, питающим драйвер или усилитель. Это можно было бы объединить в единую 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, чтобы активировать шаговый двигатель. В принципе, драйвером может быть реле или даже тумблер для каждой фазы.На практике драйвером служат либо дискретные транзисторные переключатели, либо интегральная схема.

И 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 регулируемым сопротивлением

Вы можете разобрать реактивный шаговый двигатель, чтобы увидеть внутренние компоненты. Внутренняя конструкция шагового двигателя с регулируемым сопротивлением показана на рисунке выше.У ротора выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полю статора при его переключении. Настоящий двигатель намного длиннее, чем наша упрощенная иллюстрация.

Ходовой винт шагового привода с переменным сопротивлением

Вал часто оснащается приводным винтом (рисунок выше). Это может перемещать головки дисковода гибких дисков по команде контроллера дисковода гибких дисков.

Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением применяются, когда требуется только средний уровень крутящего момента и достаточен большой угол шага.Винтовой привод, используемый в дисководе гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положение каретки.

Однако он может двигать каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, в котором острие режущего края прерывает прерыватель, как «исходное». Контроллер отсчитывает пошаговые импульсы от этой позиции. Пока крутящий момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

Резюме: шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Ротор представляет собой цилиндр из мягкого железа с выступающими (выступающими) полюсами.
Это наименее сложный и недорогой шаговый двигатель.
Единственный тип шагового двигателя без фиксирующего момента при ручном вращении обесточенного вала двигателя.
Угол большой ступени
Ходовой винт часто устанавливается на вал для линейного шагового движения.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет цилиндрический ротор с постоянными магнитами. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут иметь отводы по центру, чтобы обеспечить возможность использования униполярной схемы драйвера , в которой полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения с одного конца обмотки на другой.

Биполярный привод с переменной полярностью необходим для питания обмоток без центрального ответвителя. Чистый шаговый двигатель с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя показывает фиксирующий момент. Если угол фиксации большой, скажем 7,5 ° до 90 ° , скорее всего, это шаговый двигатель с постоянным магнитом, а не гибридный шаговый двигатель.

Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазные переменные токи, подаваемые на две (или более) обмотки.На практике это почти всегда прямоугольные волны, генерируемые твердотельной электроникой от постоянного тока.

Биполярный привод представляет собой прямоугольные волны, чередующиеся между (+) и (-) полярностями, например, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на разработанные катушки от пары положительных прямоугольных волн, приложенных к противоположным концам катушки с центральным отводом. Синхронизация биполярной или униполярной волны — это волновой, полный или полушаговый.

Волновой привод

Последовательность возбуждения волн PM (a) φ1 +, (b) φ2 +, (c) φ1-, (d) φ2-

Концептуально самым простым приводом является волноводный привод .Последовательность вращения слева направо: положительная φ-1 направляет северный полюс ротора вверх, (+) φ-2 направляет ротор на север вправо, отрицательная φ-1 притягивает ротор на север вниз, (-) φ-2 направляет ротор влево. Приведенные ниже формы волны возбуждения показывают, что одновременно находится под напряжением только одна катушка. Несмотря на простоту, это не дает такого большого крутящего момента, как другие методы привода.

Формы сигналов: биполярный волновой привод

Формы сигналов (рисунок выше) биполярны, потому что обе полярности, (+) и (-), управляют шаговым двигателем.Магнитное поле катушки меняется на противоположное, потому что меняется полярность управляющего тока.

Формы сигналов: однополярный волновой привод

Сигналы (рисунок выше) однополярны, потому что требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует вдвое больше драйверов. Форм сигналов вдвое больше, потому что пара (+) волн требуется для создания переменного магнитного поля путем приложения к противоположным концам катушки с центральным отводом.

Двигатель требует переменных магнитных полей. Они могут быть вызваны как униполярными, так и биполярными волнами. Однако обмотки двигателя должны иметь центральные отводы для униполярного привода.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами производятся с различными конфигурациями выводов.

Схема подключения шагового двигателя

4-проводный двигатель может работать только с биполярным сигналом.
Шестипроводный двигатель, наиболее распространенный вариант, предназначен для униполярного привода из-за центральных ответвлений.Тем не менее, это может быть вызвано биполярными волнами, если игнорировать центральные отводы.
5-проводный двигатель может приводиться в движение только однополярными волнами, поскольку общий центральный ответвитель мешает, если обе обмотки находятся под напряжением одновременно.
8-проводная конфигурация встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен как для униполярного привода, так и 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 получается путем параллельной намотки катушек двумя проводами, часто красного и зеленого эмалированного провода. Этот метод обеспечивает точное соотношение витков 1: 1 для обмоток с центральным отводом. Этот метод намотки применим ко всем схемам, кроме четырехпроводной схемы, описанной выше.

Полный шаговый привод

Полноступенчатый привод обеспечивает больший крутящий момент, чем волновой привод, потому что обе катушки находятся под напряжением одновременно. Это притягивает полюса ротора на полпути между двумя полюсами поля.(Рисунок ниже)

Полный шаг, биполярный привод

Полноступенчатый биполярный привод, как показано выше, имеет тот же угол шага, что и волновой привод. Для униполярного привода (не показан) потребуется пара униполярных сигналов для каждой из вышеупомянутых биполярных сигналов, приложенных к концам обмотки с центральным отводом. В униполярном приводе используется менее сложная и менее дорогая схема драйвера. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больший крутящий момент.

Полушаговый привод

Угол шага для заданной геометрии шагового двигателя сокращается наполовину с приводом полушага . Это соответствует удвоенному количеству ступенчатых импульсов на оборот. (Рисунок ниже) Полушаговый режим обеспечивает большее разрешение при установке вала двигателя.

Например, полушага двигателя, перемещающего печатающую головку по бумаге струйного принтера, удвоит плотность точек.

Полушаг, биполярный привод

Полушаговый привод представляет собой комбинацию волнового привода и полного шага привода, при котором одна обмотка находится под напряжением, а затем обе обмотки под напряжением, что дает в два раза больше ступеней.Формы униполярных сигналов для полушагового привода показаны выше. Ротор совмещен с полюсами возбуждения как для волнового привода, так и между полюсами как для полного шагового привода.

Микрошаги возможны со специализированными контроллерами. Изменяя токи в обмотках синусоидально, многие микрошаги могут быть интерполированы 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 ступеньки.Также желательно уменьшить количество обмоток или, по крайней мере, 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 указанного, чтобы получить меньший угол ступеньки. Также желательно уменьшить количество обмоток или, по крайней мере, не увеличивать количество обмоток для простоты изготовления.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами, 24-полюсная конструкция штабелирования

Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет только две обмотки, но имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот тип конструкции известен как , можно складывать . Фазовая обмотка обернута оболочкой из малоуглеродистой стали, пальцы выведены к центру.

Одна фаза, на временной основе, будет иметь северную и южную стороны. Каждая сторона оборачивается к центру пончика двенадцатью встречно-гребенчатыми пальцами, всего 24 полюса.Эти чередующиеся пальцы север-юг будут притягивать ротор с постоянным магнитом.

Если полярность фазы поменять местами, ротор подскочит на 360 ° /24 = 15 ° . Мы не знаем, какое направление, что бесполезно. Однако, если мы активируем φ-1, а затем φ-2, ротор переместится на 7,5 ° , потому что φ-2 смещен (повернут) на 7,5 ° относительно φ-1. См. Смещение ниже. И он будет вращаться в воспроизводимом направлении, если фазы чередуются.

Применение любой из вышеуказанных форм сигнала приведет к вращению ротора с постоянным магнитом.

Обратите внимание, что ротор представляет собой серый ферритно-керамический цилиндр, намагниченный по показанной 24-полюсной схеме. Это можно увидеть с помощью магнитной пленки или железных опилок, нанесенных на бумажную обертку. При этом цвета будут зелеными как для северного, так и для южного полюсов с пленкой.

(а) внешний вид штабеля банок, (б) деталь смещения поля

Конструкция шагового двигателя PM в виде штабелей отличается и ее легко идентифицировать по сложенным «банкам» (рисунок выше).Обратите внимание на смещение вращения между двухфазными секциями. Это ключ к тому, чтобы ротор следил за переключением полей между двумя фазами.

Резюме: шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор представляет собой постоянный магнит, часто ферритовую втулку, намагниченную множеством полюсов.
Конструкция с тарным стеклом обеспечивает множество полюсов от одной катушки с чередующимися пальцами из мягкого железа.
Угол ступени от большого до среднего.
Часто используется в компьютерных принтерах для продвижения бумаги.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе функции шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом для обеспечения меньшего угла шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный по оси радиальными зубьями из мягкого железа.

Катушки статора намотаны на чередующиеся полюсы с соответствующими зубьями. Обычно между парами полюсов распределяются две фазы обмотки.Эта обмотка может иметь центральное ответвление для униполярного привода. Центральный отвод достигается с помощью бифилярной обмотки , пары проводов, физически намотанных параллельно, но соединенных последовательно.

Полюса север-юг полярности смены фаз, когда ток фазового привода меняется на противоположное. Биполярный привод необходим для обмоток без отвода.

Гибридный шаговый двигатель

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

Это смещение допускает вращение с шагом 1/96 оборота за счет изменения полярности поля одной фазы. Обычно используются двухфазные обмотки, как показано выше и ниже. Хотя фаз могло быть целых пять.

Зубья статора на 8 полюсах соответствуют зубцам 48 ротора, за исключением отсутствующих зубцов в пространстве между полюсами.Таким образом, один полюс ротора, скажем южный полюс, может быть совмещен со статором в 48 различных положениях. Однако зубцы южного полюса смещены от северных на половину зуба.

Следовательно, ротор может быть совмещен со статором в 96 различных положениях. Это половинное смещение зуба показано на детали полюса ротора выше или на рисунке ниже.

Как будто это было недостаточно сложно, главные 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 при поочередном включении фаз.

Другими словами, ротор перемещается с шагом 2 × 96 = 192 шага за оборот для вышеуказанного шагового двигателя.

На приведенном выше рисунке представлен действующий гибридный шаговый двигатель. Однако мы предоставляем упрощенное графическое и схематическое представление, чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубьев в роторе и статоре для простоты.

На следующих двух рисунках мы пытаемся проиллюстрировать вращение на четверть зуба, производимое двумя фазами статора, смещенными на четверть зуба, и смещение на половину зуба ротора. Смещение статора на четверть зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.

Схема гибридного шагового двигателя

Особенности схемы гибридного шагового двигателя

Верх ротора постоянного магнита — это южный полюс, нижний — северный.
Зубцы ротора с севера на юг смещены на половину зуба.
Если статор φ-1 временно находится под напряжением, север вверху, юг внизу.
Верхние зубцы статора φ-1 совмещены на север с верхними южными зубцами ротора.
Нижние зубцы статора φ-1 ’выровнены на юг с нижними северными зубцами ротора.
Крутящий момент, приложенный к валу, достаточный для преодоления удерживающего момента, приведет к перемещению ротора на один зуб.
Если бы полярность φ-1 была изменена на противоположную, ротор переместился бы на половину зубца, направление неизвестно.Выравнивание будет следующим: верхняя часть южного статора — нижняя часть северного ротора, нижняя часть северного статора — южный ротор.
Зубья статора φ-2 не совмещены с зубьями ротора, когда φ-1 находится под напряжением. Фактически, зубцы статора φ-2 смещены на четверть зуба. Это обеспечит вращение на эту величину, если φ-1 обесточен, а φ-2 включен. Полярность φ-1 и привода определяют направление вращения.

Последовательность вращения гибридного шагового двигателя

Вращение гибридного шагового двигателя

Вверху ротора расположен постоянный магнит на юге, внизу — на севере.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 = выключено, φ-2 = включено. Выровнять (справа налево): φ-2 статор-N-справа: ротор-верх-S, φ-2 ’статор-S: ротор-низ-N. Поверните на 1/4 зуба, полное вращение = 1/4 зуба.
(c) φ-1 = реверс (включен), φ-2 = выключен. Выровнять (снизу вверх): φ-1 статор-S: ротор-нижний-N, φ-1 ’статор-N: ротор-верх-S.Поверните на 1/4 зуба от последнего положения. Полный оборот с начала: 1/2 зуба.
Не показано: φ-1 = выключено, φ-2 = обратное (включено). Выровнять (слева направо): Общее вращение: 3/4 зуба.
Не показано: φ-1 = включено, φ-2 = выключено (то же, что и (a)). Выравнивание (сверху вниз): Полное вращение, 1 зуб.

Шаговый двигатель без источника питания с фиксированным моментом представляет собой шаговый двигатель с постоянным магнитом или 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 зубцы смещены на половину зуба для меньшего угла шага.
Полюса статора имеют одинаковые мелкие зубья того же шага, что и ротор.
Обмотки статора разделены не менее чем на две фазы.
Полюса одной обмотки статора смещены на четверть зуба для еще меньшего угла шага.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Pololu — Драйверы шагового двигателя

Драйверы шаговых двигателей

специально разработаны для привода шаговых двигателей, которые способны непрерывно вращаться с точным контролем положения даже без системы обратной связи. Наши драйверы шаговых двигателей предлагают регулируемое управление током и несколько шагов разрешения, и они имеют встроенные преобразователи, которые позволяют управлять шаговым двигателем с помощью простых шагов и направлений.Эти модули, как правило, являются базовыми несущими платами для различных ИС драйверов шаговых двигателей, которые предлагают низкоуровневые интерфейсы, такие как входы, для непосредственного запуска каждого шага. Для генерации этих сигналов низкого уровня обычно требуется внешний микроконтроллер.

Большинство наших драйверов шаговых двигателей доступны в компактных (0,6 ″ × 0,8 ″) форм-факторах, совместимых с выводами. В следующей таблице сравнивается наш выбор из них:

	A4988 & lpar; оригинал & rpar;	A4988, Black Ed.	DRV8825	DRV8834	DRV8880	MP6500, Pot. CC	MP6500, Цифровой CC	TB67S279FTG	TB67S249FTG	STSPIN820	STSPIN220
Микросхема драйвера:	A4988		ДРВ8825	ДРВ8834	ДРВ8880	MP6500		TB67S279FTG	TB67S249FTG	STSPIN820	STSPIN220
Мин. Рабочее напряжение:	8 В		8.2 В	2,5 В	6,5 В	4,5 В		10 В	10 В	7 В	1,8 В
Максимальное рабочее напряжение:	35 В		45 В	10,8 В	45 В	35 В		47 В	47 В	45 В	10 В
Макс.продолжительный ток на фазу: ⁽¹⁾	1 А	1.2 А	1,5 А	1,5 А	1 А	1,5 А		1,1 А	1,6 А	0,9 А	1,1 А
Пиковый ток на фазу: ⁽²⁾	2 А		2,2 А	2 А	1,6 А	2,5 А	2 А	2 А	4,5 А	1,5 А	1,3 А
Микрошаг до:	1/16		1/32	1/32	1/16	1/8		1/32	1/32	1/256	1/256
Количество слоев платы:	2	4	4	4	4	4		4	4	4	4
Особенности:			высокое макс. напряжение, высокое напряжение	низковольтный рабочий, сильный ток	AutoTune, цифровой ток снижение, макс. напряжение	высокий ток	цифровой ток контроль, сильный ток	Автоматическая регулировка усиления, ADMD, макс. напряжение	Автоматическая регулировка усиления, ADMD, высокое максимальное напряжение, высокий ток	128 и 256 микрошагов, макс. напряжение	64, 128 и 256 микрошагов, низкое напряжение работа
Цена за 1 штуку:	5 долларов США.95	$ 7,49	$ 8.95	$ 11.95	$ 6.95	$ 5.95	$ 5.95	$ 7,75	$ 9.95	$ 7,75	$ 5.95

1 На несущей плате Pololu, при комнатной температуре и без дополнительного охлаждения. 2 Максимальный теоретический ток в зависимости от компонентов на плате (требуется дополнительное охлаждение).

В эту категорию также входят несколько более крупных модулей драйверов, которые, как правило, могут обеспечивать более современные и предлагать больше функций, чем более компактные драйверы, указанные выше:



	TB67S279FTG Полный прорыв	TB67S249FTG Полный прорыв	AMIS-⁠30543	TB67S128FTG	Мощный шаговый двигатель Драйвер двигателя 36v4
Микросхема драйвера:	TB67S279FTG	TB67S249FTG	AMIS-30543	TB67S128FTG	DRV8711
Мин. Рабочее напряжение:	10 В	10 В	6 В	6.5 В	8 В
Максимальное рабочее напряжение:	47 В	47 В	30 В	44 В	50 В
Макс.продолжительный ток на фазу: ⁽¹⁾	1,2 А	1,7 А	1,8 А	2,1 А	4 А
Пиковый ток на фазу: ⁽²⁾	2 А	4.5 А	3 А	5 А	6 А
Микрошаг до:	1/32	1/32	1/128	1/128	1/256
Количество слоев платы:	2	2	2	2	2
Размеры:	1,0 ″ × 1,4 ″	1,0 ″ × 1,4 ″	1,0 ″ × 1,2 ″	1.2 ″ × 1,6 ″	1,3 ″ × 1,2 ″
Особенности:	Автоматическая регулировка усиления, ADMD, высокое максимальное напряжение	Автоматическая регулировка усиления, ADMD, высокое максимальное напряжение, высокий ток	интерфейс SPI, ШИМ с низким уровнем электромагнитных помех, высокий ток, 1/128 микрошаг, обратная связь по ЭДС	Auto Gain Control, ADMD, высокое максимальное напряжение, высокий ток, 1/128 микрошаг, дополнительный последовательный интерфейс	сверхвысокий ток, высокое максимальное напряжение, интерфейс SPI, 1/256 микрошаг, обратная связь по ЭДС, обнаружение остановки
Цена за 1 штуку:	$ 9.75	$ 11.95	$ 14.95	$ 13.95	$ 16.95

1 На несущей плате Pololu, при комнатной температуре и без дополнительного охлаждения. 2 Максимальный теоретический ток в зависимости от компонентов на плате (требуется дополнительное охлаждение).

Для более высокого уровня управления шаговым двигателем, рассмотрите наши контроллеры шагового двигателя Tic, которые содержат некоторые из тех же микросхем драйверов шагового двигателя, что и наши несущие платы, в сочетании со встроенным микроконтроллером, который интеллектуально генерирует сигнал управления низкого уровня в ответ. к различным интерфейсам, таким как USB для прямого подключения к компьютеру, последовательный TTL и I²C для использования с микроконтроллером, RC-импульсные сервоимпульсы для использования в RC-системе, аналоговые напряжения для использования с потенциометром или аналоговым джойстиком и квадратурные энкодер для использования с поворотным энкодером.Tics также предлагает широкий спектр настроек, которые можно настроить через USB с помощью бесплатной программы.

Сравнить все товары в этой категории

Подкатегории

Эти коммутационные платы для драйверов биполярных шаговых двигателей STMicro STSPIN220 имеют девять различных разрешений микрошага с шагом 1/256, регулируемое ограничение тока и работу до 1,8 В.

Эти коммутационные платы для драйверов биполярных шаговых двигателей STMicro STSPIN820 имеют восемь различных микрошаговых разрешений с шагом 1/256, регулируемое ограничение тока и широкий рабочий диапазон от 7 В до 45 В.

Эти коммутационные платы для драйверов биполярных шаговых двигателей Toshiba TB67S2x9FTG имеют регулируемое ограничение тока, технологию адаптивного управления усилением, семь микрошаговых разрешений (вплоть до 1/32 ступени) и многое другое. Они работают от 10 В до 47 В и могут выдавать фазу приблизительно 1,2 А или 1,7 А без радиатора (в зависимости от версии).

Эти коммутационные платы для драйвера биполярного шагового двигателя MPS MP6500 имеют регулируемое ограничение тока, защиту от перегрузки по току и перегреву, а также четыре микрошаговых разрешения (вплоть до 1/8 шага).Они работают от 4,5 В до 35 В и могут выдавать примерно 1,5 А на фазу без радиатора (драйвер рассчитан на 2,5 А на катушку).

Эти коммутационные платы для драйвера биполярного шагового двигателя DRV8825 от TI имеют регулируемое ограничение тока, защиту от перегрузки по току и перегреву, а также шесть микрошаговых разрешений (вплоть до 1/32 шага). Они работают от 8,2 В до 45 В и могут выдавать приблизительно 1,5 А на фазу без радиатора (они рассчитаны на ток до 2,2 А на катушку).

Эти водители Black Edition являются более производительной заменой оригинального держателя драйвера шагового двигателя A4988. Они имеют четырехслойную печатную плату для улучшения тепловых характеристик, что позволяет микрошаговому биполярному шаговому двигателю A4988 выдавать примерно на 20% больше тока, чем наша двухслойная версия.

Эти коммутационные платы для драйвера биполярного шагового двигателя Allegro A4988 имеют регулируемое ограничение тока, защиту от перегрузки по току и перегреву, а также пять микрошаговых разрешений (вплоть до 1/16 шага).Они работают от 8 В до 35 В и могут выдавать приблизительно 1 А на фазу без радиатора (они рассчитаны на ток до 2 А на катушку).

Товары в категории «Драйверы шаговых двигателей»

Этот драйвер шагового двигателя на дискретных полевых МОП-транзисторах позволяет управлять одним биполярным шаговым двигателем. Он поддерживает широкий диапазон рабочих напряжений от 8 В до 50 В и может обеспечивать до 4 А непрерывно на фазу без радиатора или принудительного воздушного потока (максимум 6 А при достаточном дополнительном охлаждении).Интерфейс SPI позволяет настраивать ограничение тока, пошаговый режим (9 ступенчатых режимов от полного шага до 1/256 шага), режим спада и обнаружение останова. Драйвер также обеспечивает обратную связь по ЭДС, которую можно использовать для более сложных алгоритмов управления и обнаружения останова. Дополнительные функции включают защиту от обратного напряжения, пониженного напряжения и перегрузки по току.

Эта коммутационная плата упрощает использование микрошагового драйвера биполярного шагового двигателя Toshiba TB67S128FTG , который имеет регулируемое ограничение тока и микрошаговый шаг до 1/128.Кроме того, он имеет возможность динамически выбирать оптимальный режим затухания, отслеживая фактический ток двигателя, и он может автоматически уменьшать управляющий ток ниже полной величины, когда двигатель слегка нагружен, чтобы минимизировать потребление энергии и тепловыделение. Драйвер имеет широкий диапазон рабочего напряжения от 6,5 В до 44 В и может непрерывно выдавать примерно 2,1 А на фазу без радиатора или принудительного воздушного потока (до 5 А пиковое значение). Он имеет встроенную защиту от пониженного напряжения, перегрузки по току и перегрева; наша несущая плата также добавляет защиту от обратного напряжения (до 40 В).

Это коммутационная плата для микрошагового драйвера биполярного шагового двигателя AMIS-30543 компании ON Semiconductor, который имеет регулируемое по SPI ограничение тока, 11 ступенчатых режимов (от полного шага до 1/128 ступени), обратную связь по ЭДС, которую можно использовать для обнаружения опрокидывания или дополнительного управления с обратной связью, а также защиты от перегрузки по току и перегрева. Плата работает от 6 В до 30 В и может выдавать до 1,8 А на фазу без теплоотвода или принудительного воздушного потока (она рассчитана на 3 А на катушку при достаточном дополнительном охлаждении).

Это коммутационная плата для микрошагового драйвера биполярного шагового двигателя DRV8834 компании TI. Он имеет распиновку и интерфейс, которые почти идентичны таковым у наших носителей A4988, поэтому его можно использовать в качестве замены этих плат во многих приложениях. DRV8834 работает от 2,5–10,8 В, что позволяет питать шаговые двигатели от напряжения, слишком низкого для других драйверов, и может непрерывно обеспечивать до примерно 1,5 А на фазу без радиатора или принудительного воздушного потока (до 2 А пиковое значение. ).Он имеет регулируемое ограничение тока, защиту от перегрузки по току и перегреву, а также шесть микрошаговых разрешений (до 1/32 ступени). Эта плата поставляется с включенными, но не припаянными, штыревыми контактами 0,1 ″.

Эта версия нашего низковольтного держателя драйвера шагового двигателя DRV8834 поставляется с с установленными штыревыми контактами , поэтому пайка не требуется, чтобы использовать его с подходящей 16-контактной розеткой или макетной платой без пайки. Дополнительную информацию о драйвере см. На странице продукта-держателя низковольтного шагового двигателя DRV8834.

Эта коммутационная плата для микрошагового драйвера биполярного шагового двигателя DRV8880 от TI имеет регулируемое ограничение тока, защиту от перегрузки по току и перегреву, а также шесть микрошаговых разрешений (вплоть до 1/16 шага). Кроме того, ограничение тока драйвера может быть динамически уменьшено для экономии энергии, и он имеет функцию автонастройки, которая автоматически выбирает режим затухания, который приводит к наиболее плавной форме волны тока. Плата имеет распиновку и интерфейс, которые почти идентичны таковым у наших носителей A4988, поэтому ее можно использовать в качестве замены этих плат во многих приложениях.DRV8880 работает от 6,5 В до 45 В и может непрерывно выдавать до 1 А на фазу без радиатора или принудительного воздушного потока (пиковое значение до 1,6 А). Эта плата поставляется с включенными, но не припаянными, штыревыми контактами 0,1 ″.

Шаговые двигатели, драйверы шаговых двигателей, контроллеры шаговых двигателей и шаговые двигатели с регулировкой скорости

Шаговые двигатели

с легкостью обеспечивают точное позиционирование. Они используются в различных типах оборудования для точного контроля угла поворота и скорости с помощью импульсных сигналов.Шаговые двигатели генерируют высокий крутящий момент с компактным корпусом и идеально подходят для быстрого ускорения и реакции. Шаговые двигатели также сохраняют свое положение при остановке благодаря своей механической конструкции. Решения с шаговыми двигателями состоят из драйвера (принимает импульсные сигналы и преобразует их в движение двигателя) и шагового двигателя.

Oriental Motor предлагает множество решений для широкого спектра применений:

Шаговые двигатели AlphaStep с замкнутым контуром, 2-фазные шаговые двигатели, 5-фазные шаговые двигатели
Опции с редуктором, энкодером и электромагнитным тормозом
Драйверы шаговых двигателей переменного или постоянного тока
Размеры рамы от 0.От 79 дюймов (20 мм) до 3,54 дюйма (90 мм)

Подробнее …

Шаговые двигатели (только двигатели)

Oriental Motor предлагает широкий спектр шаговых двигателей, включая; Шаговые двигатели AlphaStep с обратной связью, 2-фазные шаговые двигатели и 5-фазные шаговые двигатели доступны в размерах от 0,79 дюйма (20 мм) до 3,54 дюйма (90 мм). Предлагаются пять вариантов шаговых двигателей редукторного типа, опции энкодера и тормоза, а также различные обмотки двигателя.

0.79 ~ 3,54 дюйма (20 ~ 90 мм) Шаговые двигатели NEMA 8 ~ NEMA 34 типоразмера
Доступны цилиндрические шестерни без люфта, с низким люфтом и цилиндрические шестерни
Шаговые двигатели с замкнутым контуром AlphaStep, 2-фазные шаговые двигатели и 5-фазные шаговые двигатели
Опции энкодера и электромагнитного тормоза

Драйверы шагового двигателя

Драйверы шагового двигателя преобразуют импульсные сигналы от контроллера в движение двигателя для достижения точного позиционирования.

Вход переменного или постоянного тока
Драйверы шаговых двигателей AlphaStep с замкнутым контуром, 2-фазных шаговых двигателей или 5-фазных шаговых двигателей
Импульсный вход, встроенный контроллер или EtherNet / IP ™, EtherCAT, PROFINET Совместимые версии
Доска или коробка Тип

_{EtherNet / IP ™ является товарным знаком ODVA}

Шаговые двигатели и драйверы с регулировкой скорости

Система управления скоростью SC серии CVK предлагает простую конфигурацию, состоящую из шагового двигателя, драйвера и программируемого контроллера.Рабочую скорость, время ускорения и замедления, рабочий ток можно установить с помощью переключателей привода, а простое переключение входа FWD (RVS) в положение ON или OFF позволяет легко управлять.

Генератор импульсов не требуется
Возможны 2 настройки скорости
Компактный шаговый двигатель с высоким крутящим моментом

Контроллеры / Сетевые шлюзы

Контроллеры

и сетевые шлюзы для использования с системами управления движением.

Контроллеры для использования с драйверами импульсного ввода
(связь RS-485)
- EtherCat
- CC-Link
- MECHATROLINK

Шаговые двигатели и драйверы

Шаговый двигатель используется для достижения точного позиционирования с помощью цифрового управления.Двигатель работает за счет точной синхронизации с выходным импульсным сигналом от контроллера к драйверу. Шаговые двигатели с их способностью создавать высокий крутящий момент на низкой скорости при минимальной вибрации идеально подходят для приложений, требующих быстрого позиционирования на короткое расстояние.

Точное позиционирование с точностью до шага

Шаговый двигатель вращается с фиксированным углом шага, как секундная стрелка часов. Этот угол называется «углом основного шага». Oriental Motor предлагает шаговые двигатели с базовым углом шага 0.36 °, 0,72 °, 0,9 ° и 1,8 °. 5-фазные шаговые двигатели имеют угол поворота 0,36 ° и 0,72 °, а 2-фазные шаговые двигатели — 0,9 ° и 1,8 °.

Используя технологию гибридного шагового двигателя

Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного шагового двигателя намагничен в осевом направлении, как шаговый двигатель с постоянным магнитом, а на статор подается электромагнитное питание, как у шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.И статор, и ротор имеют несколько зубьев.

Гибридный шаговый двигатель имеет намагниченный в осевом направлении ротор, что означает, что один конец намагничен как северный полюс, а другой конец — как южный полюс. Чашки зубчатого ротора размещены на каждом конце магнита, и чашки смещены на половину шага зубьев.

Простое управление с помощью импульсных сигналов

Конфигурация системы для высокоточного позиционирования показана ниже. Угол поворота и скорость шагового двигателя можно контролировать с высокой точностью с помощью импульсных сигналов от контроллера.

Что такое импульсный сигнал?

Импульсный сигнал — это электрический сигнал, уровень напряжения которого многократно меняется между ВКЛ и ВЫКЛ. Каждый цикл включения / выключения считается одним импульсом. Команда с одним импульсом заставляет выходной вал двигателя поворачиваться на один шаг. Уровни сигнала, соответствующие состояниям включения и выключения напряжения, обозначаются как «H» и «L» соответственно.

Величина вращения пропорциональна количеству импульсов

Величина вращения шагового двигателя пропорциональна количеству импульсных сигналов (количеству импульсов), подаваемых драйверу.Соотношение вращения шагового двигателя (угла поворота выходного вала двигателя) и количества импульсов выражается следующим образом:

Скорость пропорциональна скорости импульса

Скорость шагового двигателя пропорциональна скорости импульсных сигналов (частота импульсов), подаваемых водителю. Соотношение скорости импульса [Гц] и скорости двигателя [об / мин] выражается следующим образом:

Создание высокого крутящего момента с помощью компактного корпуса

Шаговые двигатели

в компактном корпусе создают высокий крутящий момент.Эти особенности обеспечивают им отличное ускорение и реакцию, что, в свою очередь, делает эти двигатели хорошо подходящими для приложений с высокими требованиями к крутящему моменту, когда двигатель должен часто запускаться и останавливаться. Чтобы удовлетворить потребность в увеличении крутящего момента на низкой скорости, Oriental Motor также предлагает мотор-редукторы, сочетающие компактную конструкцию и высокий крутящий момент.

Двигатель удерживается в остановленном положении

Шаговые двигатели продолжают создавать удерживающий момент даже в состоянии покоя.Это означает, что двигатель можно удерживать в остановленном положении без использования механического тормоза.

При отключении питания самоудерживающийся момент двигателя теряется, и двигатель больше не может удерживаться в остановленном положении при вертикальных операциях или при приложении внешней силы. В подъемниках и подобных устройствах используйте тормоз электромагнитного типа.

Шаговые двигатели с замкнутым контуром и драйверы — AlphaStep

AlphaStep состоит из шагового двигателя и драйверов, разработанных для раскрытия максимальных характеристик шагового двигателя.Эти продукты обычно работают синхронно с импульсными командами, но когда происходит внезапное ускорение или изменение нагрузки, уникальный режим управления поддерживает операцию позиционирования. Модели AlphaStep также могут выводить сигналы завершения позиционирования и аварийные сигналы, что повышает надежность оборудования, с которым они работают.

Типы операционных систем

Каждый шаговый двигатель и драйвер объединяют в себе шаговый двигатель, выбранный из различных типов, со специальным драйвером.Доступны драйверы, работающие в режиме импульсного ввода и в режиме встроенного контроллера. Вы можете выбрать желаемую комбинацию в соответствии с требуемой операционной системой.

Драйвер импульсного входа

Двигателем можно управлять с помощью генератора импульсов, предоставленного пользователем. Рабочие данные заранее вводятся в генератор импульсов. Затем пользователь выбирает рабочие данные на главном программируемом контроллере, а затем вводит операционную команду.

Драйвер встроенного контроллера

Встроенная функция генерации импульсов позволяет управлять двигателем через подключенный напрямую персональный компьютер или программируемый контроллер.Поскольку отдельный генератор импульсов не требуется, драйверы этого типа экономят место и упрощают электромонтаж.

Разница между характеристиками входа переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие напряжением постоянного тока, подаваемым через драйвер. В двигателях и драйверах Oriental Motor с входным напряжением 24 В постоянного тока на двигатель подается 24 В постоянного тока. В двигателях и драйверах на 100–115 В переменного тока на входе выпрямляется постоянный ток, а затем на двигатель подается примерно 140 В постоянного тока (исключение составляют некоторые изделия.)

Эта разница в напряжении, подаваемом на двигатели, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях. Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет нарастание тока через обмотки двигателя, что облегчает приложение номинального тока на более высоких скоростях. Таким образом, входной двигатель переменного тока и система привода имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких, обеспечивая большое передаточное отношение.

Рекомендуется, чтобы для вашего приложения были рассмотрены системы двигателя и привода переменного тока, которые совместимы в более широком диапазоне рабочих условий, чем системы ввода постоянного тока.

Что такое шаговые приводы и как они работают?

Шаговый привод — это схема драйвера, которая управляет работой шагового двигателя. Шаговые приводы работают, посылая ток через различные фазы в импульсах на шаговый двигатель. Существует четыре типа: волновые приводы (также называемые однофазными приводами), двухфазные приводы, одно-двухфазные приводы и микрошаговые приводы.

Приводы

Wave или однофазные приводы работают только с одной включенной фазой.Рассмотрим иллюстрацию ниже. Когда привод подает питание на полюс A (южный полюс), показанный зеленым, он притягивает северный полюс ротора. Затем, когда привод подает питание на B и выключает A, ротор поворачивается на 90 °, и это продолжается, поскольку привод подает питание на каждый полюс по очереди.

Инженеры редко используют волновое движение: это неэффективно и обеспечивает небольшой крутящий момент, потому что одновременно задействуется только одна фаза двигателя.

Двухфазное вождение получило свое название потому, что одновременно включены две фазы.Если привод питает оба полюса A и B как южные полюса (показаны зеленым), то северный полюс ротора притягивается к обоим в равной степени и выравнивается посередине двух полюсов. По мере того, как последовательность подачи питания продолжается, ротор непрерывно заканчивается выравниванием между двумя полюсами.

При двухфазном включении разрешение не выше, чем при однофазном включении, но зато создается больший крутящий момент.

Привод с включением одной-двух фаз получил свое название от способа подачи питания на 1 или 2 фазы в любое определенное время.В этом методе управления, также известном как полушаговый, привод подает питание на полюс A (показан зеленым)… затем подает питание на полюса A и B… затем подает питание на полюс B… и так далее.

Одно-двухфазное вождение обеспечивает более точное разрешение движения. Когда включены две фазы, двигатель развивает больший крутящий момент. Одно предостережение: пульсация крутящего момента вызывает беспокойство, поскольку может вызвать резонанс и вибрацию.

Микрошаговый режим связан с однофазным включением.

Microstepping обеспечивает очень точное разрешение движения.Здесь привод использует регулирование тока для предотвращения колебаний крутящего момента. С помощью этой техники инженеры могут использовать шаговые двигатели в большем количестве приложений.

По сути, микрошаговый привод увеличивает и уменьшает ток по синусоиде, поэтому ни один полюс не включен или не выключен полностью. Вот образец микрошагового синусоидального тока:

Обратите внимание на тонкий зазубренный контур синусоидального тока. Хотя микрошаговый режим не обязательно улучшает точность, он дает более высокое разрешение, чем другие режимы движения, что особенно полезно для приложений, в которых двигатель работает без нагрузки.Во время работы моторы могут пропускать шаги. Тем не менее, микрошаговые действия распространяют энергию, а не доставляют ее к двигателю сразу, что может вызвать звон и перерегулирование.

Для всех этих форм привода двигатели могут иметь разные обмотки. Униполярные двигатели принимают только положительное напряжение. Униполярный требует дополнительного провода в середине каждой катушки, чтобы позволить току течь от одного конца к другому. Биполярные шаговые двигатели используют как положительное, так и отрицательное напряжение. Биполярные шаговые двигатели имеют больший крутящий момент, потому что они создают более сильное магнитное поле, но для их конструкции также требуется больше провода.

Для дополнительной информации:

Сайт Oriental Motor по шаговым двигателям

Техасский университет в Остине: архив STMicroelectronics PDF

Электронная книга

: Все о схемах — Шаговые двигатели