Как инвертировать шаговый двигатель

Содержание
  1. Как работает шаговый электродвигатель?
  2. Что такое шаговый двигатель?
  3. Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
  4. Устройство и принцип работы
  5. Типы шаговых двигателей
  6. По конструкции ротора
  7. Реактивный
  8. С постоянными магнитами
  9. Гибридные
  10. По виду обмоток
  11. Униполярный
  12. Биполярный
  13. Подключение шагового двигателя
  14. Типичные схемы подключения ШД
  15. Управление шаговым двигателем
  16. Без контроллера
  17. С контроллером
  18. Популярные схемы управления ШД
  19. Простейший драйвер шагового двигателя своими руками
  20. Полезное видео
  21. Управление шаговым двигателем с помощью Arduino
  22. Дубликаты не найдены
  23. Arduino & Pi
  24. Правила сообщества
  25. Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)
  26. Общие сведения:
  27. Виды шаговых двигателей по типу ротора:
  28. Какой тип шагового двигателя у меня?
  29. Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:
  30. Какой тип шагового двигателя у меня?
  31. Режимы работы шаговых двигателей:
  32. Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:
  33. Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Читайте также:  Момент затяжки двигателя камаз

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Читайте также:  Заводка двигателя с рукоятки

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Полезное видео



Источник

Управление шаговым двигателем с помощью Arduino

В этом посте я постараюсь вкратце рассказать про шаговые электродвигатели, и как с ними можно работать с помощью нашего любимого ардуино.

Многие из вас знакомы с маленькими моторчиками, из которых исходят всего 2 провода, они часто встречаются в детских игрушках, например, в машинках.

Это коллекторные электродвигатели постоянного тока. Они могут напрямую подключатся к источнику питания и будут всегда вращаться с постоянной скоростью, в зависимости от подаваемого напряжения. Если необходимо изменить направление вращения, то на нашем моторе нужно просто поменять местами «+» и «-» и он сразу начнёт крутиться в другую сторону. За счёт их простой конструкции, они имеют небольшую стоимость и простоту в управлении.

Вы могли их встречать, если разбирали CD-DVD привода, жёсткие диски, принтеры или другие электронные устройства, в механической части которых нужно чётко контролировать обороты, перемещения или другие необходимые кинематические движения.

Вот так выглядит шаговый электродвигатель с винтовым валом из оптического привода:

Фото двигателя в разрезе:

У данного двигателя 4 обмотки: A+, A-, B+, B-, их нужно соединить с соответствующими выходами на плате драйвера.

Для управления шаговым двигателем можно использовать различные библиотеки, которые упрощают жизнь, если необходимо как-то динамически управлять двигателем, например «AccelStepper» и тому подобные. Также есть различные программные комплексы для управления 3Д принтерами или ЧПУ станками.

Мы же рассмотрим простой пример вращения двигателя с постоянной скоростью, который не сложно будет повторить всем желающим. Также, так ещё удобно проверять общее состояние двигателя.

Здесь написан цикл, который беспрерывно будет отправлять логические сигналы к нашему драйверу, а он уже на двигатель.

Примерно так всё работает:

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Дубликаты не найдены

Arduino & Pi

959 постов 17.2K подписчиков

Правила сообщества

В нашем сообществе запрещается:

• Добавлять посты не относящиеся к тематике сообщества, либо не несущие какой-либо полезной нагрузки (флуд)

• Задавать очевидные вопросы в виде постов, не воспользовавшись перед этим поиском

• Рассуждать на темы политики

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Спасибо за совет, в будущем буду стараться поместить всё в один пост.

Не совсем понял вопрос

Просто хотелось показать пример именно с ардуино, ведь с ним можно открыть больше возможностей, чем просто «отправлять шаг».

Если бы копипастил, то думаю, что не сделал такую глупую ошибку, с головы старался писать.

Ребят, вижу тут есть знающие люди.
Собираю фотопиццу (мало ли кто знаком), не крутит шаговый двигатель, бывает после танцев с бубном крутит, но очень странно (не по программе).

В чем может быть проблема?

а будет электрическая схема? =) мотор гудит когда не крутится?

@BesttseB, проверь код, а именно повнимательнее, где задается частота импульсов. Возможно слишком большая частота импульсов, движок просто ахреневает. Попробуй отдельно протетстить шаговик+МК+твой код, без обвеса. У меня было, что движок сначала разгонялся, потом из-за большой частоты стопорился и когда уменьшалась, то он снова продолжал крутиться.

Автор показывает, как быстро и равномерно крутится шаговый двигатель. Ясно. Понятно. Тема раскрыта на 10 из 10.

4988 не то, чтобы хуже, но в DRV8825 можно микрошаг поменьше поставить(актуально для станков с ременной\зубчатой передачей и 3D принтеров) и, как мне кажется, на DRV8825 шаговики звучат благороднее =)

Не конечно, для каждой цели целесообразен тот или иной драйвер. Просто у меня был в наличии только этого формата (остался после ЧПУ системы: https://youtu.be/N3xBpIMORf4 )

а можно статью про то, как с компа управлять этим всем. желательно с кодом.

т.е., допустим, мне надо,чтобы после нажатия кнопки на компе, двигатель совершал серию поворотов. как это программируется?

Serial гугли. С компа посылаешь строку на ардуину, она разбирает её и выполняет команду по аргументам.

а с компа в зависимости от языка просто посылаешь в серийный порт строку.

Аргументы придумать не сложно.

Можно заморочиться с wi-fi или ethernet shield, там поднять веб-сервер и из браузера делать запросы. Например, NodeMCU умеет из коробки это, т.к. на ней встроен в-ф

Читайте также:  Двигатель заз шевроле ланос

такое ощущение, что автор и рад бы нам рассказать о шаговиках, но не разбирается в теме абсолютно. вешать NEMA17 на такой монструозный драйвер? перепутать количество обмоток? использовать такой дикий метод управления?

хотя бы схему шаговика в пэинте нарисовали, авось сами разобрались бы, как он работает.

Вот расскажите мне как вы к этим двигателям приделываете достойно какую нибудь звездочку или сверлышко?

..Эпоксидка блин, ну ты даёшь)

ааа оказывается это цангой называется) а я её получается самодельную делал из болтов, еще и моментов поверх заливал, тоже срывало (

Короче сейчас уже прикупил двигатели то с нормальными осями, прям выплавленные стальные звездочки уже там. Но вопрос меня мучить не перестал, ибо таких движков на рынке ну просто валом, а тот нормальный я еле достал, а где и как нормально использовать бы можно было те движки я так и не понимаю, только разве что для игрушек?) ну или просто чтоб лишь бы прихватить.

К двигателям с нормальными осями обычно бывают цанги типа ERxx, напримем ER11 на шпиндели с валом 6мм

Держит намертво, промышленный стандарт

2)посадочное место (щлиц на валу)

Ну вот посадочное место само то, его мне по сути только и оставалось сделать, только надо будет, если начну опять такое делать, не напильником, а молотком квадратик с оси набить и потом уже болтами хвататься.

(нет ебом меня не токнуло), но эта хрень в руках тряслась так, что я думал второй адронный коллайдер запустил только что и сейчас он у меня в руке образует черную дыру, и трёх секунд он не дал мне его удержать (да я его даже отключить не успел), выпрыгнул из руки оторвал контакты и с помощью своего гироскопического эффекта весьма точно впился в пол, так еще и остатками момента кручения сделал в нем небольшую дырку.

Сказать, что я офигел, это ничего не сказать. После такого я положил его подальше и решил использовать только в реально экстренных случаях)

Источник

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.

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

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:

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.

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.

Источник

Ответы на популярные вопросы