Шаговый Двигатель Схема Подключения

Шаговый Двигатель Схема Подключения

Шаговые электроприводы НПФ Электропривод — Силовая электроника

Сергей Сергеев

В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем.

Шаговый двигатель — это синхронная электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в угловое или линейное перемещение ротора с возможностью его остановки в некоторых фиксированных положениях с сохранением стабилизирующего момента. Принцип действия всех существующих шаговых двигателей основан на дискретном изменении состояния электромагнитного поля в рабочем зазоре электрической машины.

При проектировании электромеханических систем часто приходится делать выбор между шаговым электроприводом и сервоприводом.

Сервопривод состоит из контроллера, драйвера, двигателя постоянного тока или синхронного двигателя и датчика обратной связи. Контроллер сервопривода обрабатывает сигналы датчика. Крутящий момент обеспечивается регулировкой питающего тока.

Шаговый электропривод состоит только из контроллера, драйвера и шагового двигателя. Сведений о положении ротора контроллер не имеет, но оно с большой долей вероятности предсказуемо, поэтому датчик обратной связи не используется.

Достоинства шагового электропривод:

  • максимальный крутящий момент на низких скоростях;
  • высокая точность позиционирования;
  • простая схема управления;
  • низкая стоимость.
  • высокие динамические характеристики;
  • плавность движения.

Недостатки шагового электропривод:

  • потеря крутящего момента на высоких скоростях;
  • резонанс шагового двигателя;
  • возможна потеря контроля над положением ротора ввиду отсутствия обратной связи.
  • колебательные процессы в контуре обратной связи;
  • сложная схема управления.

Современные системы управления шаговыми электроприводом обычно имеют отделенные друг от друга контроллер (рис. 1) и драйвер (рис. 2). Связано это с тем, что у правильно спроектированного драйвера довольно сложный алгоритм дробления шага, позволяющий уменьшить величину минимального перемещения и избежать резонансных явлений. Такое разделение позволяет легко использовать для управления шаговыми электроприводом как специализированные контроллеры, сделанные под узкий спектр задач, так и LPT-порт персонального компьютера. Драйвер шагового двигателя для пользователя является универсальным устройством, на вход которого подается лишь силовое питание для двигателя и стандартные сигналы «направление» и «шаг». На драйвере выставляются только величина тока в фазах двигателя и коэффициент дробления шага.

Использование в качестве контроллера шаговых двигателей персонального компьютера получило широкое распространение в малых токарных и фрезерных станках как вариант замены промышленной стройки ЧПУ. Современное программное обеспечение позволяет контур или трехмерную модель, сделанную, например, в AutoCAD, сразу выводить как на принтер, так и на станок с ЧПУ.

Специализированные контроллеры шаговых электроприводов, такие как трехканальный контроллер SMC-3, выпускаемый НПФ Электропривод, предназначены в основном для задач автоматизации технологических процессов. Каждый из каналов контроллера SMC-3 выполнен на микроконтроллере ATMega8 и работает по исполнительной программе, содержащейся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Исполнительная программа записывается с помощью ПК через интерфейс RS-232. Все три канала подключены к одному порту RS-232 и «слушают» шину одновременно. Обмен устройства с ПК осуществляется по принципу «команда — ответ». Ответ содержит параметр, сообщающий ПК об успешном или неуспешном выполнении команды с указанием номера ошибки. Ответ приходит от того контроллера, который распознал свой номер, содержащийся в управляющей команде. Если команда ошибочна и не распознана ни одним из микроконтроллеров, все каналы находятся в дежурном режиме, ответ (сообщение об ошибке команды) приходит от контроллера № 1. Выполнение исполнительной программы контроллером заключается в чтении очередной команды из энергонезависимой памяти и в выдаче соответствующих команд управляющих сигналов на драйвер ШД. Одновременно осуществляется анализ сигналов от выключателей реверса и аварийных концевых выключателей. Перечень команд охватывает все возможные варианты работы шагового двигателя — работа в статическом режиме, движение с постоянной скоростью, движение с ускорением, изменение направления движения, переключение величины дробления шага, синхронизация шаговых двигателей соседних каналов. Контроллер SMC-3 не позволяет в полной мере поддерживать графические интерфейсы ПК, однако ориентированная на неподготовленного пользователя программа верхнего уровня обеспечивает интуитивно понятный доступ к полному набору команд контроллера. Раздельное исполнение контроллера SMC-3 и драйверов позволяет одинаково просто управлять шаговыми электроприводами в диапазоне мощностей 0,005–1,5 кВт.

Читайте также:  DDNS от – инструкция по настройке

Шаговый двигатель — компактное исполнительное устройство с большим крутящим моментом, составляющее конкуренцию сервоприводам во многих приложениях, в которых требуются низкая скорость и высокая точность позиционирования. Примеры использования шаговых электроприводов — станки с ЧПУ, намоточное оборудование, механизмы протяжки проволоки, фольги, контрольно-сортировочные автоматы, сварочные роботы, этикетировщики.

Управляем шаговым двигателем с помощью Arduino и контроллера Easy Driver

Существует куча двигателей. И порой возникает вопрос, какой именно выбрать для вашего проекта на Arduino.

В этой статье мы детально обсудим один из типов двигателей — шаговый двигатель. Разберемся, в каких случаях уместно его использование. Рассмотрим пример подключения с использованием драйвера Easy Driver.

Необходимые элементы

  • Драйвер для шагового двигателя EasyDriver;
  • Небольшой шаговый двигатель;
  • Макетная плата;
  • Провода мама-мама;
  • Коннекторы;
  • Arduino Uno или подобный микроконтроллер;
  • Паяльник;
  • Источник питания на 12 В (или регулируемый источник питания)

Принцип работы шагового двигателя

Основное отличие шаговых двигателей от двигателей постоянного тока: они не только вращаются в различных направлениях, но обеспечивают точное угловое позиционирование ротора. Скорость вращения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью подачи большей или меньшей силы тока, но обеспечить остановку ротора в заданном положении невозможно. Теперь представьте себе принтер. Внутри, если вы его разберете, обнаружите огромное количество подвижных узлов, включая и двигатели. Один из установленных моторов обеспечивает подачу бумаги в то время как краска распыляется на бумагу. Этот двигатель должен обеспечивать подачу бумаги на определенное расстояние для построчной печати. Второй двигатель в принтере устанавливается для перемещения картриджа. Опять таки, необходимо обеспечить точно заданное позиционирование картриджа. В подобных случаях рационально использовать именно шаговые двигатели.

Шаговые двигатели обеспечивают вращение ротора на определенный угол (или шаг) при соответствующем сигнале управления. Это дает вам возможность получить полный контроль над положением узлов механизмов и выходить в заданную позицию. С конструктивной точки зрения это реализуется за счет подачи питания на разные катушки внутри двигателя. Правда, есть и свои недостатки — надо постоянно обеспечивать питание шагового двигателя при его выстое в заданной позиции. В данной статье в детали мы вдаваться не будем. Конструктивные особенности шаговых двигателей и их принцип действия раскрыты в статье двигатели и Arduino. Здесь ограничимся лишь тем фактом, что для управления шаговым двигателем, вы должны задать ему необходимое количество шагов в одном или противоположном направлениях и указать скорость шага.

На сегодняшний день существует огромное количество моделей шаговых двигателей и плат управления к ним (драйверов). Методики, которые раскрыты дальше, применимы к большинству шаговых двигателей и драйверов, которые не упоминаются здесь. При этом, прежде чем работать с незнакомым драйвером или шаговым двигателем, рекомендую ознакомится с их даташитами или отдельными гайдами по их использованию.

Ниже приведена информация о сборке драйвера, подключении и управлении шаговым двигателем с использованием Arduino.

Сборка драйвера

Самый простой метод использования драйвера EasyDriver — установить на нем коннекторы для последующей установки на макетной плате. Теоретически, можно закрепить коннекторы и на макетной плате.

Читайте также:  Воронение металла в домашних условиях лимонной кислотой

Первый шаг — монтаж коннекторов на плату EasyDriver. В данном примере будут использованы не все выходы на драйвере, но все равно рекомендую распаять все отверстия. Как минимум, это обеспечит более надежную установку драйвера на макетной плате. Да и в дальнейшем все выходы могут пригодиться. Отломайте необходимое количество коннекторов и установите их на макетку. После этого сверху поставьте драйвер запаяйте все коннекторы.

Схема подключения

После распайки пришло время подключить драйвер к Arduino. Схема подключения несложная и приведена на рисунке ниже.

Примечание. Маленький шаговый двигатель выглядит не так, как он изображен на схеме подключения. У него должен быть коннектор с четырьмя разъемами на конце. Этот коннектор можно напрямую подключить к разъему с четырьмя коннекторами на драйвере (см. Рисунок после распайки выше). Только обратите внимание на даташит вашего двигателя. Бывает такое, что разводка кабелей не соответсвует пинам на драйвере.

Важно! Шаговые двигатели потребляют больше тока, чем может предоставить Arduino. В связи с этим мы будем питать Arduino от 12 В. При этом вход для питания (М+) на EasyDriver подключен к пину Vin на Arduino. Благодаря этому, можно запитывать Arduino и двигатель от одного источника.

Программа Arduino для вращения шагового двигателя

После подключения, можно заливать программу в Arduino. Ниже приведен исходник простенького скетча для первого запуска. В интернете куча готовых кусков кода, которые вы спокойно можете использовать в своих целях. Кроме того, в Arduino IDE есть полноценная встроенная библиотека Stepper library, которая значительно упрощает процесс вашего общения с шаговыми двигателями.

В данном примере рассматривается управление шаговым двигателем с использованием контроллера EasyDriver и Arduino. После прошивки платы и подключения, ротор будет вращаться в одном и противоположном направлении.

Принцип работы шагового двигателя

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

p, blockquote 1,0,0,0,0 —>

p, blockquote 2,0,0,0,0 —>

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

Читайте также:  BMW i8 – обзор, фото, характеристики

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса.

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным.

p, blockquote 19,0,0,0,0 —>

p, blockquote 20,0,0,0,0 —>

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео).

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

p, blockquote 24,0,0,1,0 —>

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину.

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

p, blockquote 26,0,0,0,0 —>

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены.

p, blockquote 27,0,0,0,0 —>

p, blockquote 28,0,0,0,0 —>

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

p, blockquote 29,0,0,0,0 —>

p, blockquote 30,0,0,0,0 —>

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

p, blockquote 31,0,0,0,0 —> p, blockquote 32,0,0,0,1 —>

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Ссылка на основную публикацию
Что такое лизинг автомобиля простыми словами в 2020 году (машины)
Лизинг что это такое простыми словами 11 главных ответов Добрый день, уважаемые читатели! Сегодня поговорим о лизинге. В этой статье...
Что такое aux в компьютере
Как подключить музыкальный центр к компьютеру или ноутбуку Многие пользователи задаются вопросом, как подключить музыкальный центр к компьютеру. Связано это...
Что такое BAS (Brake Assist System) в автомобиле работа системы
Brake Assist - что это такое в автомобиле и для чего нужно Для обеспечения максимальной безопасности водителей, пассажиров и пешеходов...
Что такое матричные фары, светодиодные, Audi, фото, видео
Что такое матричные фары, светодиодные, Audi, фото, видео Матричные фары или Matrix LED headlights впервые начали применяться на автомобилях от...
Adblock detector