Принципиальная схема шагового двигателя

Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

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:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• 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.

Введение в устройство шаговых двигателей

Если вы когда-либо имели удовольствие демонтировать старый принтер, чтобы сохранить электронные компоненты, то можете столкнуться с множеством цилиндрических загадочных моторов с 4 или более проводами, выступающими из сторон. Возможно, вы слышали характерное жужжание настольного 3D-принтера или глючную электромеханическую симфонию дисков в CD приводе? Если так, то вы столкнулись с шаговым двигателем!

Шаговые двигатели заставляют электромеханический мир вращаться ( с более высоким крутящим моментом!), но в отличие от обычного двигателя постоянного тока, управление шаговым двигателем требует чуть больше, чем ток через два провода. В этой статье будет рассказано о теории проектирования и эксплуатации шагового двигателя. Как только рассмотрим основы, автор данного руководства покажет, как построить простые схемы для управления шаговыми двигателями, а затем как использовать специальные микросхемы драйверов.

Шаг 1: Что делает мотор шаговым двигателем?

Кому может понадобиться более двух проводов и Н-мост? Зачем? Ну, в отличие от обычных щеточных двигателей постоянного тока, построенных для максимального числа оборотов (или кВ для RC), шаговые двигатели представляют собой бесщеточные двигатели, рассчитанные на высокий крутящий момент (впоследствии меньшую скорость) и более точное вращательное движение. В то время как типичный двигатель постоянного тока отлично подходит для вращения гребного винта на высокой скорости для достижения максимальной тяги, шаговый двигатель лучше подходит для прокатки листа бумаги синхронно со струйным механизмом внутри принтера или для осторожного вращения вала линейного рельса в мельнице с ЧПУ.

Внутри шаговые двигатели являются более сложными, чем простой двигатель постоянного тока, с несколькими катушками вокруг сердечника с постоянными магнитами, но с этой дополнительной сложностью обеспечивается больший контроль. Благодаря тщательному расположению катушек, встроенных в статор, ротор шагового двигателя может вращаться с заданным шагом, изменяя полярность между катушками и переключая их полярность в соответствии с установленной схемой зажигания. Шаговые двигатели не все сделаны одинаковыми, и для их внутреннего исполнения требуются уникальные (но базовые) схемы. Обсудим наиболее распространенные типы шаговых двигателей на следующем шаге.

Шаг 2: Типы шаговых двигателей

Есть несколько различных конструкций шаговых двигателей. К ним относятся однополярное, биполярное, универсальное и переменное сопротивление. Мы будем обсуждать конструкцию и работу биполярных и однополярных двигателей, так как это наиболее распространенный тип двигателя.

У однополярных двигателей обычно есть пять, шесть или восемь проводных выводов, идущих от основания, и одна катушка на фазу. В случае пятипроводного двигателя пятый провод представляет собой соединенные центральные отводы пар катушек. В шестипроводном двигателе каждая пара катушек имеет собственный центральный отвод. В двигателе с восемью проводами каждая пара катушек полностью отделена от других, что позволяет подключать ее в различных конфигурациях. Эти дополнительные провода позволяют приводить в действие однополярные двигатели непосредственно от внешнего контроллера с простыми транзисторами, чтобы управлять каждой катушкой отдельно. Схема зажигания, в которой приводится в действие каждая катушка, определяет направление вращения вала двигателя. К сожалению, учитывая, что за один раз подается только одна катушка, удерживающий момент однополярного двигателя всегда будет меньше, чем у биполярного двигателя того же размера. Обойдя центральные отводы однополярного двигателя, он теперь может работать как биполярный двигатель, но для этого потребуется более сложная схема управления. На четвертом шаге этой статьи мы приведем в действие однополярный двигатель, который должен прояснить некоторые из представленных выше концепций.

Биполярные двигатели, как правило, имеют четыре провода и являются более прочными, чем однополярный двигатель сравнительного размера, но поскольку у нас есть только одна катушка на фазу, нам нужно повернуть ток через катушки, чтобы перейти на один шаг. Наша потребность изменить ток означает, что мы больше не сможем управлять катушками напрямую с помощью одного транзистора, вместо этого – полная цепь h-моста. Построение правильного h-моста утомительно (не говоря уже о двух!), Поэтому мы будем использовать выделенный драйвер биполярного двигателя (см. Шаг 5).

Шаг 3: Понимание спецификаций шагового двигателя

Давайте поговорим о том, как определить технические характеристики двигателя. Если вы встречали двигатель квадратного сечения с определенной сборкой из трех частей (см. Рисунок три), скорее всего, это двигатель NEMA. Национальная ассоциация производителей электрооборудования имеет определенный стандарт для спецификаций двигателя, использующий простой буквенный код для определения диаметра лицевой панели двигателя, типа крепления, длины, фазного тока, рабочей температуры, фазного напряжения, шагов на оборот и проводки.

Чтение паспорта двигателя

Для следующего шага будет использован этот однополярный мотор. Выше приложена таблица данных. И хотя она краткая, она предоставляет нам все, что нам нужно для правильной работы. Давайте разберем, что в списке:

Фаза: это четырехфазный однополярный мотор. Внутренне двигатель может иметь любое количество реальных катушек, но в этом случае они сгруппированы в четыре фазы, которые могут управляться независимо.

Шаг угла: При приблизительном разрешении 1,8 градусов на шаг мы получим 200 шагов на оборот. Хотя это является механическим разрешением, с помощью микроперехода мы можем увеличить это разрешение без каких-либо изменений двигателя (подробнее об этом в шаге 5).

Напряжение: номинальное напряжение этого двигателя составляет 3 вольта. Это функция тока и номинальных сопротивлений двигателя (закон Ома V = IR, следовательно, 3V = 2A * 1,5Ω)

Ток: сколько тока нужно этому двигателю? Два ампера на фазу! Эта цифра будет важна при выборе наших силовых транзисторов для базовой схемы управления.

Сопротивление: 1,5 Ом на фазу ограничит то, какой ток мы можем подать на каждую фазу.

Индуктивность: 2,5 мГн. Индуктивная природа катушек двигателя ограничивает скорость зарядки катушек.

Удерживающий момент: это то, сколько фактической силы мы можем создать, когда на шаговый двигатель подано напряжение.

Момент удержания: это то, какой момент удержания мы можем ожидать от двигателя, когда он не находится под напряжением.

Класс изоляции: класс B является частью стандарта NEMA и дает нам рейтинг в 130 градусов Цельсия. Шаговые двигатели не очень эффективны, и постоянное потребление максимального тока означает, что они будут сильно нагреваться при нормальной работе.

Показатели обмотки: диаметр провода 0,644 мм., количество витков в диаметре 15,5, сечение 0,326 мм2

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Шаговый двигатель Arduino ► предназначен для перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Рассмотрим устройство и схему подключения шагового двигателя.

Шаговый двигатель (stepper motor) предназначен для точного позиционирования или перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Плата Arduino может управлять шаговым двигателем с помощью драйвера и библиотеки stepper.h или accelstepper.h. Рассмотрим принцип работы и схему подключения шагового двигателя к Arduino Uno / Nano, а также разберем скетч для управления шаговым мотором.

Принцип работы шагового двигателя

В зависимости от конструкции, сегодня применяются три вида шаговых двигателей: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели. У двигателей с постоянным магнитом число шагов на один оборот вала доходит до 48, то есть один шаг соответствует повороту вала на 7,5°. Гибридные двигатели обеспечивают не меньше 400 шагов на один оборот (угол шага 0,9°).

Фото. Устройство шагового мотора в разрезе

Подсчитав количество сделанных шагов, можно определить точный угол поворота ротора. Таким образом, шаговый двигатель является сегодня идеальным приводом в 3D принтерах, станках с ЧПУ и в другом промышленном оборудовании. Это лишь краткий обзор устройства и принципа работы stepper motor, нас больше интересует, как осуществляется управление шаговым двигателем с помощью Ардуино.

Драйвер шагового двигателя Ардуино

Шаговый двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель, как и все двигатели, он преобразует электрическую энергию в механическую. В отличие от двигателя постоянного тока в которых происходит вращение вала, вал шаговых двигателей совершает дискретные перемещения, то есть вращается не постоянно, а шагами. Каждый шаг вала (ротора) представляет собой часть полного оборота.

Фото. Виды драйверов для управления шаговым двигателем

Вращение вала двигателя осуществляется с помощью сигнала, который управляет магнитным полем катушек в статоре драйвера. Сигнал генерирует драйвер шагового двигателя. Магнитное поле, возникающее при прохождении электрического тока в обмотках статора, заставляет вращаться вал, на котором установлены магниты. Количество шагов задаются в программе с помощью библиотеки Arduino IDE.

Схема подключения шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino Uno через драйвер ULN2003 изображена на рисунке ниже. Основные характеристики мотора 28BYJ-48: питание от 5 или 12 Вольт, 4-х фазный двигатель, угол шага 5,625°. Порты драйвера IN1 — IN4 подключаются к любым цифровым выводам платы Arduino Mega или Nano. Светодиоды на модуле служат для индикации включения катушек двигателя.

Как подключить шаговый двигатель к Ардуино

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• драйвер шагового двигателя ULN2003;
• шаговый двигатель 28BYJ-48;
• провода «папа-мама».

Схема подключения шагового двигателя к Arduino UNO

Управление шаговым двигателем через Ардуино производится путем подачи импульсов на обмотки мотора в определенной последовательности. Для облегчения управления шаговым мотором созданы специальные библиотеки stepper.h и accelstepper.h, но можно вращать вал мотора без стандартных библиотек. Подключите шаговый мотор к микроконтроллеру, как на схеме выше и загрузите следующий скетч.

Скетч для управления шаговым двигателем

Пояснения к коду:

1. вместо портов 8,9,10,11 можно использовать любые цифровые порты;
2. время задержки в миллисекундах int dl = 5; можно изменять, чем меньше задержка в программе, тем быстрее будет вращаться вал мотора;
3. алгоритм работы программы, представлен на следующей картинке.

Последовательность включения обмоток шагового мотора

Управление шаговым двигателем на Ардуино

Рассмотрим управление шаговым мотором при помощи стандартной библиотеки stepper.h и с помощью более удобной и популярной библиотеки accelstepper.h, где реализовано намного больше дополнительных команд и функций. Схема подключения мотора при этом остается неизменной. Чуть дальше мы перечислили возможные команды, которые можно использовать в программе с этими библиотеками.

Скетч для шагового двигателя на Ардуино (Stepper.h)

Пояснения к коду:

1. вместо портов 8,9,10,11 можно использовать любые цифровые порты;
2. библиотека Stepper.h имеет маленький функционал, поэтому подходит только для тестирования шагового двигателя и проверки подключения драйвера.

Скетч для шагового мотора с библиотекой AccelStepper.h

Пояснения к коду:

1. библиотеку AccelStepper.h можно использовать при подключении шагового двигателя к Motor Shield L293D совместно с библиотекой AFMotor.h;
2. в программе можно задавать не только максимальную скорость, но и ускорение и замедление вала шагового двигателя.

Описание команд библиотеки AccelStepper.h

AccelStepper mystepper(DRIVER, step, direction); // Шаговый двигатель, управляемый платой
AccelStepper mystepper(FULL2WIRE, pinA, pinB); // Шаговый двигатель, управляемый Н-мостом
AccelStepper mystepper(FULL4WIRE, pinA1, pinA2, pinB1, pinB2); // Униполярный двигатель

Все что нужно знать о шаговых электродвигателях

Сегодня речь пойдет от такой разновидности электродвигателях, как шаговые. Мы подготовили объемный материал, в котором подробно расписаны технические характеристики, устройство и сам принцип работы шаговых двигателей. В конце статьи вас ждет подробное руководство по изготовлению драйвера шд собственными руками, ну и как бонус список подробной литературы по теме. Любые вопросы, как всегда, вы можете задать в комментариях.

Устройство и принцип работы

Шаговые двигатели широко используются в бытовых приборах, транспортных средствах, фрезерных и шлифовальных станках и других производственных механизмах.

Устройство представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма.

Шаговый двигатель оснащен блоком управления (приборной панелью), передатчиками и сигнализаторами.

Как работает шаговый электродвигатель?

Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:

1. После подачи напряжения на клеммы начинается непрерывное вращение специальных щеток. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
2. Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
3. Внешняя цепь управления, чаще всего представленная микроконтроллером, возбуждает электромагниты зубчатого типа. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
4. Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
5. Вращение шестеренки обеспечивается отключением первого электромагнита и включением следующего.
6. Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Данные вращения являются постоянным шагом. Для определения скорости мотора нужно подсчитать количество шагов, требуемых для его полного оборота. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.

Характеристики

Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике:

• Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
• Угол полного шага. Представление в другом виде предыдущего параметра. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Для двигателей серии FL57 составляет 1,8 ° и 0,9°.
• Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для этого тока указаны механические параметры двигателя.
• Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
• Сопротивление обмотки фазы. Сопротивление обмотки двигателя на постоянном токе. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
• Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. От него зависит скорость нарастания тока в обмотке. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.
• Крутящий момент. Основной механический параметр. Показывает максимальный крутящий момент, который способен создать двигатель. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
• Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Чем этот параметр меньше, тем двигатель быстрее разгоняется.
• Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
• Стопорный момент. Момент, необходимый чтобы провернуть вал двигателя при отсутствующем напряжении питания.
• Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
• Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Параметр из раздела электробезопасности.

Типы шаговых двигателей

Основные виды шаговых двигателей:

• с переменным магнитным сопротивлением

• с постоянными магнитами

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей с переменным магнитным сопротивлением в роторе нет постоянных магнитов. Их ротор выполнен из магнитомягкого материала и имеет зубчатую форму. Магнитный поток замыкается через ближайшие к полюсам статора зубцы.