Как управлять шаговым двигателем вручную

Что собой представляет шаговый двигатель?

Чтобы иметь четкое представление о том, как управлять шаговым двигателем, следует в первую очередь ознакомиться с тем, что это такое.

Шаговый двигатель — это электродвигатель, в котором роторная часть перемещается на заданный угол за счет пульсирующего источника питания. Все типы шаговых электродвигателей относятся к классу бесщеточных.

Важно! При запуске двигателя создается небольшой момент. При этом двигатель способен демонстрировать отличные характеристики даже в состоянии покоя.

Дискретные импульсы используются для управления шаговым двигателем. Их формирование осуществляется непосредственно на приводе электродвигателя.

Сфера применения шаговых двигателей

Прежде чем рассматривать, как управлять шаговым двигателем, также будет полезно ознакомиться с областью применения этого механизма. Он находится в:

• периферийные устройства, используемые для реализации функций компьютеров;
• станки с числовым программным управлением;
• установки, используемые для считывания информации с оптических дисководов;
• компьютерные запоминающие устройства;
• перфораторы и множество других строительных приспособлений.

Важно! Двухфазные гибридные электродвигатели наиболее активно используются при создании всех типов установок. Кроме того, рассмотренные механизмы часто можно встретить в электроустановках, работающих по схеме «старт-стоп».

Типы и конструктивные особенности

Кроме всего прочего, для лучшего понимания того, как управлять шаговым двигателем, следует рассмотреть основные варианты. Шаговые двигатели различаются конструкцией ротора, типом используемых обмоток, а также типом управления. На каждой из этих особенностей стоит остановиться подробнее.

Отличия в конструкции ротора

Во многом от ротора зависит, с какой скоростью он будет вращаться и в каких режимах способен работать электродвигатель. В связи с этим двигатели могут быть:

1. Реактивный. Их главная особенность – отсутствие магнита ротора. Для снижения индуктивных потерь при работе двигателя для его изготовления применяют специализированные сплавы. Магнитная сила, необходимая для перемещения ротора, создается за счет подачи напряжения от другой пары. В эксплуатации реактивные двигатели имеют довольно много общего с синхронными агрегатами.
2. С магнитами. Движущая сила создается с помощью магнитов.
3. Смешанный. В установке одновременно действуют несколько движущих факторов.

Каждый из представленных типов двигателей используется в разных областях машиностроения.

Отличия в типе обмоток

Плавность работы зависит от того, сколько обмоток используется в электродвигателе. Именно поэтому при выборе двигателя следует обращать на это внимание.

Важно! Ошибочно мнение, что количество фаз напрямую влияет на количество обмоток в двигателе. Правда в том, что даже 2-х фазный двигатель может иметь в своей конструкции 4 и более обмоток.

Варианты шаговых двигателей:

1. Однополярный. Главной их особенностью является наличие принта в дизайне. Самым большим недостатком униполярных двигателей является относительно небольшой крутящий момент. Как правило, используют 5 или 6 контактов.
2. Биполярный. К ним относятся двигатели, которые можно подключить к контроллеру 4 кранов для работы. Обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно. Для выполнения перенаправления текущего потока используются специальные микросхемы. Они позволяют управлять работой двигателя в ручном режиме.

Несколько чаще используются биполярные двигатели, так как они способны генерировать такой же крутящий момент, но при гораздо более компактных размерах самого устройства.

Отличия в типе управления

Чтобы можно было легко манипулировать режимами работы механизма, были созданы различные системы управления. Вот наиболее распространенные:

1. Волна. При таком типе управления возбуждается только одна обмотка. Из-за этого механизм имеет явный недостаток — малое значение создаваемого момента.
2. Полный шаг. Все обмотки включаются одновременно.
3. Полушаг. В таких двигателях геометрия двигателя разделена на 2 равные части. В результате появляется возможность добиться большего расширения при задании положения вала механизма.

Второй тип, благодаря удовлетворительным техническим характеристикам, используется чаще всего.

Читайте также: Галоген, ксенон или светодиоды – что лучше установить, чтобы всё видеть ночью и не слепить «встречку»

Принцип работы

Четкое понимание принципа работы механизма облегчает восприятие информации о том, как управлять шаговым двигателем.

Важно! В зависимости от типа электродвигателя конструктивные особенности могут существенно различаться. Однако принцип работы всех механизмов абсолютно одинаков.

Статор имеет 4 обмотки, расположенные по отношению друг к другу под углом 90°. При подаче напряжения на первую обмотку ротор перемещается на указанный выше угол.

При подаче напряжения на последовательные обмотки механизма ротор будет продолжать движение, пока не совершит полный оборот вокруг своей оси. После этого описанный процесс повторяется снова и так происходит до тех пор, пока не прекратится подача напряжения на обмотки.

Если необходимо изменить порядок вращения ротора, начните подавать импульсы в обратном порядке. Все типы шаговых электродвигателей дают пользователю возможность в зависимости от поставленной задачи самостоятельно изменять технические характеристики механизма. Делается это непосредственно за счет органов управления, позволяющих подстраивать мотор под разные конфигурации механизмов, в которых он используется.

Преимущества и недостатки

Чтобы знать, как наиболее эффективно управлять шаговым двигателем, нужно иметь представление о его основных достоинствах и недостатках.

К положительным сторонам механизма можно отнести:

1. Высокая точность. При подаче напряжения на обмотку ротор поворачивается на определенный угол, который задается заранее.
2. Долгий срок службы установки при условии своевременного обслуживания.
3. Стабильность в работе.
4. Элементарность ремонтных работ – любая сборочная единица может быть заменена «простыми» манипуляциями.

Установка рассматриваемого типа имеет и недостатки. Вот наиболее важные из них:

1. Маленький момент. Единственным выходом из этой ситуации может быть улучшение динамических параметров машины с помощью специальных драйверов.
2. Высокий уровень вибрации механизма при работе обусловлен его конструктивными особенностями.
3. Сложность с набором скорости вращения ротора.
4. Опасность «проскальзывания» ротора.

Разумеется, приведенный выше список слабых и сильных сторон механизма не является исчерпывающим. Однако этого вполне достаточно, чтобы понять, следует ли использовать шаговый двигатель в конкретной электроустановке, или есть смысл предпочесть другой механизм с другими технологическими особенностями.

Основные характеристики

Выбрав правильный механизм, а заодно изучив информацию о том, как максимально эффективно управлять шаговым двигателем, следует выяснить, какими характеристиками он обладает. Ниже приведены основные моменты:

1. Количество полных шагов. Этот параметр напрямую влияет на то, насколько плавно будет работать мотор.
2. Сопротивление обмотки. От этого показателя зависит величина напряжения, выдаваемого устройством.
3. Фазная индуктивность.
4. Допустимый уровень напряжения. Измерение этого параметра осуществляется в соответствии с количеством оборотов.
5. Номинальный рабочий ток агрегата.
6. Значение сопротивления изоляционного слоя механизма.

Совет: комплексное понимание всех технических характеристик механизма — один из самых эффективных способов выбрать оптимальный вариант электродвигателя для конкретной ситуации.

Подключение шагового двигателя

Для того чтобы потенциал подавался на обмотки правильно, необходим механизм, способный вырабатывать один или несколько импульсов сразу в определенной последовательности. Полупроводниковые установки, а также драйверы, усиливающие сигнал с выводов микроконтроллера, призваны справиться с этой задачей.

Важно! В некоторых случаях фаза двигателя будет потреблять около 100 мА, поэтому драйвер может питаться напрямую от платы Arduino.

Каждая клемма на контроллере формирует свой режим работы и подачу напряжения. Использование тех или иных выводов зависит от того, какой контекст используется в конкретном случае. В результате получается выполнить правильный подбор частоты вращения ротора. Существует несколько видов схем подключения:

• биполярный;
• двухполюсный с отводом, начинающимся в середине обмотки;
• однополярный (4 фазы);
• однополярный с 4 фазами и параллельным подключением;
• однополярный с 4 фазами и последовательным соединением.

Какой из них лучше, трудно сказать. Правильнее сказать, что у каждой схемы есть свой вариант использования, где она продемонстрирует наибольшую эффективность.

Управление шаговым двигателем

Когда все основные моменты, касающиеся технических характеристик, преимуществ и недостатков рассматриваемого механизма, изучены, можно переходить к вопросу, как управлять шаговым двигателем своими руками.

Чуть ранее были рассмотрены виды управления электрическим шаговым двигателем. Теперь стоит остановиться на существующих способах управления механизмом более подробно, и рассмотреть их с других функциональных сторон:

1. Волновой метод управления. Он включает в себя возбуждение обмотки, к которой притягиваются полюса ротора. При этом механизм способен длительное время выдерживать повышенную нагрузку, так как в силу особенностей его конструкции на выходе высвобождается только часть крутящего момента.
2. Полношаговый метод управления. 2 фазы возбуждаются одновременно. Этот метод управления обеспечивает наибольший крутящий момент при использовании параллельного соединения. Если, наоборот, обмотки соединить последовательно, можно получить максимальный ток и напряжение.
3. Полушаговый метод управления. При нем одновременно осуществляется совмещение двух ранее описанных способов управления. Это позволяет последовательную подачу напряжения. Сначала он будет подаваться только на одну катушку, а затем я буду соединять ее с обеими. Такой способ подачи гарантирует фиксацию свойств на малых скоростях.

По наличию контроллера все шаровые двигатели делятся на:

1. Проверить. Главное их преимущество в том, что у пользователя есть возможность управлять устройством в разных режимах. Основным элементом таких устройств является наличие в системе электронного устройства, способного выдавать ряд сигналов в определенной последовательности.
2. Вышел из-под контроля. Используется в схемах Н-моста. Это включает в себя возможность изменить полярность, чтобы обеспечить реверсирование устройства. В зависимости от конкретной ситуации конструкция может быть основана как на транзисторном, так и на микросхемном принципе действия. Первоначально на мост подается напряжение, и только потом с помощью переключателей по обмоткам ротора двигаются токи.

Как видите, вручную управлять шаговыми двигателями без специальных контроллеров невозможно.

Применения драйвера для управления шаговым двигателем

Драйвер позволяет дать управление механизмом с учетом текущей ситуации.

Для информации! Можно сказать, что драйвер — это элемент схемы, который используется для регулирования работы обмоток двигателя путем подачи цифровых сигналов. В этом случае эти сигналы подаются на определенные обмотки и только в заранее заданной последовательности, которую можно запрограммировать для начала.

В зависимости от того, какой именно драйвер используется, он также может использоваться для реализации ряда дополнительных функций:

• контроль перегрузок по току;
• снизить электропитание при длительном простое устройства;
• обеспечивает защиту от воздействия обратного ЭДС.

Все драйверы, позволяющие управлять установкой, делятся на аналоговые, цифровые и содержат в конструкции энкодер. Стоит узнать, как управлять шаговым двигателем с помощью каждого из них.

Аналоговые

Аналоговые драйверы самые дешевые и надежные. Они позволяют осуществлять переменную подачу импульса на обмотки статора по заранее заданной программе. Они способны защитить рабочую цепь от короткого замыкания. Кроме того, отсутствует риск перегрева водителя.

Цифровые

Цифровые драйверы более современные. Они основаны на 32-битном процессоре. Прежде чем контролировать работу двигателя, вы можете установить все необходимые настройки системы.

Кроме того, цифровые драйверы позволяют защитить установку от перегрузок, а также выполнять пошаговое совместное использование на максимальном уровне. Для цифровых драйверов также характерна автоматическая настройка и снижение напряжения в ХХ.

С энкодером

Управляя системой с помощью драйвера с энкодером, вы можете:

• получать постоянную обратную связь о состоянии установки;
• стабильно поддерживать определенный крутящий момент и скорость вращения ротора;
• защитить от перегрузки по току;
• уменьшить нагрев двигателя.

Обратите внимание на следующее! Используя драйверы с энкодерами, можно не бояться задержек в работе механизма.

Купить любой из рассмотренных шаговых двигателей, а также сопутствующие механизмы можно с помощью онлайн-сервисов Яндекс Маркет или ОЗОН.

Теперь вопросов о том, как самому управлять шаговым двигателем, возникнуть не должно. При выборе шагового электродвигателя в первую очередь необходимо ориентироваться на задачи, которые он должен выполнять. Это, в свою очередь, зависит от конкретного типа установки, в которой должен быть размещен двигатель.

Понравилась статья? Расскажите своим друзьям: Оцените статью, это очень важно для нас: Голосовавших: 2 человека.
Средняя оценка: 5 из 5.

Быстрые движения под высоким напряжением, или почти вся правда об управлении шаговым мотором

Доброго времени суток вам, дорогие выродки и сочувствующие!

В этом посте я поделюсь своим опытом управления. Точнее — ступенчатое управление. А если быть точным, то мы хотим рассказать об управлении удивительным устройством — шаговым двигателем.

Что это за шаговый двигатель? В принципе, с точки зрения функциональности этот двигатель можно представить как обычный электродвигатель, где каждый оборот вала разбит на множество одинаковых, точно фиксированных шагов. Сдвигая определенное количество шагов, мы можем позиционировать вал шагового двигателя с высокой точностью и хорошей воспроизводимостью. Каждый шаг можно разбить на несколько шагов (называемых микрошагами) для повышения плавности работы двигателя, уменьшения резонансов и увеличения углового разрешения. Различия между полным степпингом (слева), 1/2 микрошага (в центре) и 1/16 микрошага (справа) видны невооруженным глазом:

К сожалению, все вышеперечисленные преимущества достигаются за счет значительной сложности системы управления шаговым двигателем (для простоты будем называть эту систему драйвером).
Теперь рассмотрим работу типичного шагового двигателя:

Из этой картинки видно, что шаговый двигатель в электрическом плане представляет собой два или более электромагнитов, которые необходимо переключать в определенном порядке, чтобы привести ротор в движение.
Отступление: В настоящее время существует два основных типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. Поскольку униполярные двигатели имеют меньший крутящий момент и худшие скоростные характеристики, в данной публикации они рассматриваться не будут.

Итак, вернемся к управлению биполярным мотором. Как бы парадоксально это ни звучало, часто легче обсуждать общие принципы на конкретных примерах. В качестве примера возьмем шаговый двигатель ST4118L1804-A от Nanotec. Почему именно этот двигатель и производитель? Причина проста: по основным характеристикам это типичный представитель моторов NEMA 17, которые широко используются в радиолюбительской практике, а также имеют достаточно подробную техническую документацию (которая полностью отсутствует у китайских noname моторов).

Основные особенности этого двигателя:
Рабочее напряжение 3,15 В
Рабочий ток 1,8 А
Сопротивление обмотки 1,75 Ом
Индуктивность обмотки 3,3 мГн
Удерживающий момент 0,5 Нм
Размер углового шага 1,8° (200 шагов на оборот ротора)

В этом случае важнее всего правильная интерпретация данных. Применяя закон Ома, получаем, что производитель указал рабочий ток и напряжение для постоянного тока, протекающего по обмоткам двигателя, без учета индуктивности.
Проверить: I = U/R, или 1,8 А = 3,15 В/1,75 Ом. Все сходится.
Каковы потери мощности при питании обмоток постоянным током?

Все просто: P = I x U, или 1,8 А х 3,15 В = 5,67 Вт. В полушаговом режиме возможна ситуация, когда ток протекает через обе обмотки двигателя, соответственно, теряемая мощность должна быть удвоена: 5,67 Вт х 2 = 11,34 Вт. Это достаточно много, и может привести к перегреву мотора. Это же значение является минимальной потребляемой мощностью для данного двигателя. Типичный 3D-принтер имеет пять таких двигателей, поэтому для питания драйверов требуется блок питания с минимальной мощностью 11,34 Вт x 5 = 56,7 Вт.

К этой цифре необходимо добавить электрическую мощность, преобразуемую двигателем в кинетическую или потенциальную энергию при работе принтера. Точный расчет этого эффекта дело достаточно сложное, на практике проще всего к расчетному тепловому эффекту добавить 75% и на этом расчеты завершить. Почему именно 75%? Дело в том, что обычный шаговый двигатель способен выполнять полезную работу примерно на 2/3 своей максимальной тепловой мощности. В этом случае для создания узла или устройства сначала выбирается подходящий двигатель (например, по крутящему моменту), а затем рассчитывается мощность источника питания.

Суммарная мощность блока питания пяти шаговых двигателей: 56,7 Вт x 1,75 = 99,225 Вт.

Конечно, на практике ни одно любительское устройство не использует моторы под максимальной нагрузкой, и реальная потребляемая мощность, скорее всего, будет намного ниже расчетной. Я, как человек ленивый и скупой, очень не люблю дважды делать одно и то же, поэтому всегда беру блок питания с некоторым запасом (то есть по расчетам выше).

Теперь пора приступить к определению минимально необходимого напряжения для блока питания. К сожалению, этому параметру в тематических публикациях уделяется незаслуженно мало внимания. Почему этот параметр так важен? Дело в том, что при вращении ротора шагового двигателя по катушкам протекает переменный ток, ограниченный не только активным, но и индуктивным сопротивлением обмоток.

Рассмотрим предоставленный производителем график зависимости крутящего момента нашего мотора от скорости вращения:

На графике есть две линии, показывающие зависимость крутящего момента от скорости для напряжения питания 24 В (красная линия) и 48 В (зеленая линия). Нетрудно заметить, что падение крутящего момента начинается примерно с 300 об/мин для 24 В и примерно с 600-700 об/мин для 48 В. Следует отметить, что производитель использует дорогие промышленные драйверы, недоступные любителям.

Почему так важно напряжение питания драйвера, если даже при питании от 12 В оно заведомо выше проходного значения напряжения питания шагового двигателя (3,15 В)? Дело в том, что шаговый двигатель управляется током, а не напряжением, и все современные драйверы являются источниками тока. В идеальном случае драйвер обеспечивает заданный ток в обмотках двигателя независимо от частоты вращения ротора, нагрузки, изменения температуры и других параметров. Это организовано за счет работы ШИМ-контроллера, часто управляемого довольно сложными алгоритмами.

Из технической документации нашего мотора видно, что для полного оборота ротор должен сделать 200 шагов, при 300 об/мин это будет 60000 шагов в минуту, или 1000 шагов в секунду. Это соответствует, попросту говоря, переменному току частотой 1 кГц. При этой частоте индуктивное сопротивление обмотки составит (R(L) = 2π×F×L): 2π х 1 кГц х 3,3 мГн = 20,73 Ом. Какое напряжение необходимо для обеспечения тока 1,8 А с помощью этого резистора? Закон Ома не спит (U=IR): 1,8 А х 20,73 Ом = 37,31 В. Неудивительно, что выше скорости 300 об/мин наблюдается снижение крутящего момента: драйверу просто не хватает напряжения питания.

Почему при таком явном недостатке мощности (37 — 24 = 13 В) снижение происходит на меньшей скорости? Дело в том, что современные драйверы используют мостовую схему выходных каскадов, что позволяет «удвоить» напряжение, подаваемое на обмотки двигателя. То есть теоретически драйвер способен подать на обмотки «виртуальные» 48 В при напряжении питания 24 В, что создает теоретический запас по напряжению 48 — 37 = 11 В. На практике этот запас будет уравновешен потерями в драйвере, сопутствующих цепях и активным сопротивлением обмотки двигателя (активное сопротивление обмоток присутствует постоянно, и даже несколько увеличивается по мере прогрева двигателя).

При увеличении частоты вращения ротора свыше 300 об/мин пропорционально увеличивается частота импульсов, а следовательно, увеличивается индуктивное сопротивление обмотки. При питании от 24 В драйверу уже не хватает напряжения питания для поддержания тока в обмотках, и крутящий момент неуклонно падает. То же самое происходит при питании драйвера от 48 В, но значительно позже, при скорости 600-700 об/мин.

Итак, с мощностью и напряжением блока питания все ясно, теперь необходимо перейти к практической реализации универсального драйвера, способного как филигранно работать с использованием крошечного NEMA 11, так и сотрясать устои мира вместе с могучим NEMA 23. Какими самыми важными качествами обладает водитель моей мечты?

1. Высокое напряжение питания. Так как в технической документации на двигатели редко указывается максимальное напряжение питания, то лучше будет ограничиться 48 В.
2. Самый важный параметр: высокий выходной ток. NEMA 23 имеет рабочий ток до 3,5 А, драйвер должен обеспечивать этот ток с запасом 30%. Путем несложных расчетов получаем максимальный рабочий ток ок. 4,5 А.
3. Простая и быстрая регулировка выходного тока.
4. Наличие микрошага, не менее 1/8 шага
5. Наличие защиты от короткого замыкания, перегрева и тд
6. Небольшие размеры, возможность присоединения любого радиатора.
7. Конструкция в виде интегральной схемы. XXI век на дворе!
8. Простая схема включения с минимальным количеством дискретных компонентов.
9. Низкая цена.

После многих бессонных ночей с пятиминутным гугловским копанием оказалось, что единственный доступный драйверный чип с подходящими параметрами — это TB6600HG. Покупка готового китайского драйвера на eBay показала, что далеко не все в Датском королевстве благополучно. В частности, китайский драйвер отказался работать напрямую с выходами Arduino Due, «наматывая» только через преобразователь уровня буфера.

Работая с трехамперной нагрузкой, драйвер перегревался и терял десятки шагов. Вскрытие пациента показало, что в нем не только был установлен чип предыдущего поколения (TB6560), но даже термопасте не нашлось места в списке компонентов. К тому же размеры и вес китайского водителя наводили на мысли о моей молодости. о прошлом веке, если быть совсем точным. Ну, черт возьми, сказал во мне интеллигент в третьем поколении, мы сделаем своего водителя, с преферансами и поэтессами. Если бы разработчики KiCAD увидели, как я обрабатываю их мозги, я бы разорился на одних только юристах:

Для минимизации размеров была разработана четырехслойная печатная плата. К сожалению, этот факт исключает производство в домашних условиях. Поэтому у берлинской компании LeitOn было заказано 36 таких плат, каждая из которых стоила около пяти евро. Некоторые из этих досок позже были куплены у меня другими любителями, и в итоге оказалось, что производство досок не очень затратное дело.

Чипы TBB6600HG были заказаны на Aliexpress по 4 евро каждая, остальные компоненты заказаны на eBay, так как на один драйвер цена дискретных компонентов составила 2 евро. В качестве радиаторов были взяты пятисантиметровые отрезки П-образного алюминиевого профиля, пластиковые рамки распечатаны на 3D-принтере. Общая цена за водителя составила около 12 евро. Это разумная цена для драйвера со следующими характеристиками:

Напряжение питания от 8 до 42 вольт
Максимальный непрерывный рабочий ток 4,5 А, регулируется потенциометром
Микро шаг вниз до 1/16 шага
Защита: короткое замыкание, перегрев, низкое напряжение питания
Компактные размеры и малый вес
Работа с уровнями входного сигнала от 3,3 до 5,5 вольт