Шаговый двигатель em 483 характеристики

Шаговые двигатели: особенности и практические схемы управления. Часть 2 Владимир Рентюк, Запорожье, Украина Часть 2. Схемотехника систем управления Выше

Шаговые двигатели: особенности и практические схемы управления. Часть 2

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

Часть 2. Схемотехника систем управления

Выше были рассмотрены наиболее важные общие вопросы использования шаговых двигателей, которые помогут в их освоении. Но, как гласит наша любимая украинская поговорка: «Не повірю поки не провірю» («Не поверю, пока не проверю»). Поэтому перейдем к практической стороне вопроса. Как уже отмечалось, шаговые двигатели – это удовольствие не из дешевых. Но они имеются в старых принтерах, считывателях гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5″25 Mitsumi) или EM-483 (от принтера Epson Stylus C86), которые можно найти у себя в старом хламе или купить за копейки на радиобазаре. Примеры таких двигателей представлены на Рисунке 8.

Наиболее простыми для начального освоения являются униполярные двигатели. Причина кроется в простоте и дешевизне их драйвера управления обмотками. На Рисунке 9 приведена практическая схема драйвера, использованного автором статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 [6].

Рисунок 9.	Драйвер униполярного шагового двигателя. (Дополнительная информация по подключению на Рисунках 10 и 12).

Естественно, что выбор типа транзистора для ключей управления обмотками должен происходить с учетом максимального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое соединение MOSFET с ИМС коммутатора может быть недопустимым. Как правило, в затворах устанавливаются последовательно включенные резисторы небольших номиналов. Но в ряде случае необходимо предусмотреть еще и соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с небольшим током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить, по крайней мере, 15 мА (хотя для нормальной работы ключа необходимо, чтобы ток базы равнялся 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы. Как хороший компромисс, можно использовать IGBT, сочетающие в себе достоинства полевых и биполярных транзисторов.

С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала RDC(ON) MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше. Мощность, рассеиваемая на ключах для выбранного в качестве примера двигателя серии P542-M48, при полной остановке ротора не превысит

PVT = RDC(ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

Транзисторы IRLML2803 с RDC(ON) = 0.25 Ом имеют допустимую мощность рассеяния 540 мВ и постоянный ток стока 0.93 А при температуре 70 °С. Так что, они полностью соответствуют требованиям и обеспечат надежную работу драйвера. В большинстве случаев, учитывая низкие частоты коммутации, проведенной выше оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы ключей не входит в рамки данной статьи, то для их выбора и полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, например, в [7].

Еще одним важным моментов является правильный выбор так называемых снаберных диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на Рисунке 9). Назначение этих диодов – гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом. Обратите внимание, что в мощные MOSFET такие диоды, как правило, уже встроены.

Режим управления двигателем задается коммутатором. Как уже было отмечено выше, наиболее удобным и эффективным является управление с перекрытием фаз (Рисунок 4б). Такой режим легко реализуется при помощи триггеров. Практическая схема универсального коммутатора, который использовал автор статьи как в ряде отладочных модулей (в том числе, и с приведенным выше драйвером), так и для практических применений, приведена на Рисунке 10.

Рисунок 10.	Схема универсального коммутатора шагового двигателя (с реверсом).

Схема на Рисунке 10 пригодна для любых типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «ШАГИ», а направление вращения устанавливается через вход «НАПРАВЛЕНИЕ». Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки (на Рисунке 10 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора приведена на Рисунке 11.

Рисунок 11.	Временная диаграмма универсального коммутатора с реверсом. Верхние две осциллограммы – Q1 D2-2, Q2 D2-2; нижние две – Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркеры показывают область изменения очередности включения фаз.

Хочу обратить внимание читателей: в Интернете вы могли встретить похожую схему, выполненную не на D-триггерах, а на JK-триггерах. Будьте внимательны! В ряде этих схем допущена ошибка в подключении ИМС. Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутатора может быть значительно упрощена (см. Рисунок 12), при этом частота вращения останется неизменной, а диаграмма управления будет аналогичной той, которая приведена на Рисунке 11 (осциллограммы до переключения очередности фаз).

Рисунок 12.	Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя (без реверса).

Поскольку особых требований к сигналу «ШАГИ» не предъявляется, для его формирования может использоваться любой подходящий по уровням выходного сигнала генератор. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на базе ИМС таймера 555 (Рисунок 13).

Рисунок 13.	Регулируемый генератор импульсов для коммутатора шагового двигателя.

Для питания собственно двигателя можно использовать схему, приведенную на Рисунке 14, а схему коммутатора и генератора питать или от отдельного источника питания +5 В или через дополнительный маломощный стабилизатор. Земли силовой и сигнальной частей в любом случае необходимо разделить.

Рисунок 14.	Схема питания шагового двигателя с режимами удержания и выключения.

Схема на Рисунке 14 обеспечивает подачу двух стабильных по уровню напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [8]). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт «ТОРМОЗ» разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что, как уже отмечалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя P542-M48 момент удержания с редуктором 25:6 равен 19.8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Этот подход позволяет при остановке двигателя уменьшить потребление мощности с 5.52 Вт до 1.38 Вт! Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт «ВКЛ/ВЫКЛ» разъема Х1.

Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах VT1, VT2 необходимости нет, и выходы можно подключить непосредственно вместо упомянутых ключей.

Примечание: В этом варианте использование резисторов подтяжки недопустимо!

В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя можно уменьшить до 16 – 18 В, что не скажется на его работе. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания.

Задача управления биполярными двигателями более сложна. Основная проблема в драйвере. Для этих двигателей требуется драйвер мостового типа, и делать его, тем более в современных условиях, на дискретных элементах – неблагодарная задача. Да, этого и не требуется, так как имеется очень большой выбор специализированных ИМС. Все эти ИМС условно можно свести к двум типам. Первый – весьма популярная у любителей робототехники ИМС L293D STMicroelectronics [9] или ее варианты от Texas Instruments. Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмоток до 600 мА. ИМС имеют защиту от перегрева; устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, которым служит фольга печатной платы [9]. Второй тип – это уже знакомая читателям по публикации в [1] ИМС LMD18245 [2].

Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления биполярным двигателем малой мощности типа 20M020D2B 12 В/0.1 А во время изучения проблемы использования шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется всего одна ИМС. Полная схема, приведенная в [10] и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. На Рисунке 15 показано включение ИМС драйвера (с привязкой к коммутатору из Рисунка 10), поскольку именно эта часть сейчас представляет для нас интерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) из спецификации [9] не совсем понятна начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, тем, что показаны внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИМС и прекрасно справляются с обмотками маломощных двигателей. Естественно, что драйвер L293D может работать с любым коммутатором. Выключается драйвер логическим нулем по входу R.

Примечание: ИМС L293, в зависимости от изготовителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различия в нумерации и количестве выводов!

Рисунок 15.	Схема подключения драйвера L293DD.

Для более мощных двигателей автор статьи использовал драйверы LMD18245. Полная схема тестового модуля приведена на Рисунке 16.

Рисунок 16.	Схема управления биполярным шаговым двигателем с использованием драйвера LMD18245.

В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырех-, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуются две ИМС. Драйвер LMD18245 выполнен по DMOS технологии, содержит схемы защиты от перегрева, короткого замыкания и выполнен в удобном 15-выводном корпусе ТО-220, что позволяет легко отводить от его корпуса излишнее тепло. В качестве задающего генератора использовалась схема, приведенная ранее на Рисунке 13, но с увеличенным до 4.7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка BH1, позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «ВЫКЛ» ротор двигателя освобождается, и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженной вдвое мощностью потребления. Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях вращения моментом. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении «two-phase-on» включены обе обмотки, ток двигателя удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резисторы R3, R8).

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах (Рисунок 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резисторы R3, R8), и двоичным кодом на контактах цепи управления тока (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации на драйвер [2]. Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока выполняется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор, не включенный непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой схемы максимальный ток в амперах, согласно приведенной в [2] формуле, составляет:

VDAC REF – опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме 5 В);
D – задействованные разряды ЦАП (в этом режиме используются все 16 разрядов);
RS – сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Соответственно, в режиме удержания (поскольку используются 8 разрядов ЦАП), максимальный ток составит 1 А.

В заключение необходимо отметить, что драйвер LMD18245 позволяет реализовать и микрошаговое управление. Как упоминалось выше, такой режим уменьшает, и даже подавляет паразитный резонанс ротора. Поддержка такого режима для указанного драйвера осуществляется микропроцессором, управляющим входами ЦАП.

Как можно видеть из предложенной статьи, шаговые двигатели хоть и сложнее в управлении, чем коллекторные, но не настолько, чтобы отказываться от них. Как говорили еще древние римляне: «Дорогу осилит идущий». Естественно, что на практике для многих приложений управление шаговыми двигателями целесообразно делать на основе микроконтроллеров, которые легко сформируют нужные команды для драйверов и выполнят роль коммутаторов. Дополнительную информацию и более детальное рассмотрение проблем, связанных с применением шаговых двигателей, кроме как по упомянутым выше ссылкам [3, 4, 7], можно почерпнуть из ставшей уже классикой монографии Кенио Такаши [11] и на специализированных интернет-сайтах, например, [12].

Есть еще один момент, на который автор статьи хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как впрочем, и все двигатели постоянного тока, обратимы. Что имеется ввиду? Если приложить внешнее вращающее усилие к ротору, то с обмоток статора можно снять ЭДС, то есть двигатель становится генератором, причем весьма и весьма эффективным. Автор статьи экспериментировал с этим вариантом использования шаговых двигателей во время работы консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было на простых макетах отработать ряд практических решений. По наблюдению автора статьи, эффективность шагового двигателя в таком применении была выше, чем у аналогичного по параметрам и габаритам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.

Источник

Introduction: EM-483 Specifications

Как устроен шаговый двигатель

Конструктивно шаговые двигатели можно поделить на три больших класса – это двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами и гибридный класс, сочетающий характеристики первых двух. 

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор из магнитомягкого материала, который не сохраняет остаточную намагниченность. Для простоты ротор на рисунке имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Двигатель на рисунке имеет шаг 30 град.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Такой двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках, а из-за того, что ротор не имеет магнитных свойств, данный тип двигателя может работать на высоких оборотах. Так же данный тип двигателя легко отличить от других шаговиков, просто повращав его за вал, когда он отключен. Вал будет крутиться свободно, тогда как у остальных типов явно будут ощущаться шаги. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает уменьшение значения угла шага до нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением сейчас почти не используют.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора, содержащего постоянные магниты. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Статор имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах. Двигатель на рисунке имеет величину шага 30 град, так же, как и предыдущий. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга и для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют от 48 до 24 шагов на оборот, что соответствует углам шага 7.5 – 15 град).

На практике двигатель с постоянными магнитами выглядит, например, вот так. Увидеть такой двигатель можно в лазерном принтере.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Это значит, что при свободном выбеге на больших оборотах двигатель сработает как генератор и может сжечь драйвер током, который сам и сгенерирует. Это же относится и к гибридным двигателям.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением и двигатели с постоянными магнитами.

Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400, что соответсвует углам шага 3.6 – 0.9 градусов. Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Выглядит гибридный двигатель, например, вот так.

Большинство современных шаговых двигателей являются именно гибридными, поэтому давайте подробней рассмотрим устройство шаговых двигателей этого типа.

Ротор двигателя разделен поперек на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Благодаря этому зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для двигателей с шагов в 3,6 градуса и 8 основных полюсов в случае шагов в 1.8 и 0.9 градусов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Посмотрим на продольное сечение гибридного шагового двигателя. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев, что очень хорошо было видно на предыдущем фото. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора и слабо влияет на постоянный магнит. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного шагового двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая, около 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его служба может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Мы рассмотрели устройство самого «железа» шаговых двигателей, но помимо этого двигатели можно еще поделить по количеству и способу коммутации их обмоток.

Тут всего два основных вида – биполярный и униполярный

Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой драйвер. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Примером распространенного биполярного двигателя может быть шаговый двигатель марки 17HS4401

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера, который в случае униполярного двигателя должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 выводов, как на рисунке, или 6 выводов в случае если выводы AB и CD разъединены. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

Примером распространенного униполярного двигателя с пятью выводами может быть шаговый двигатель марки 28BYJ-48. Данный двигатель можно переделать в биполярный, разделив выводы AB и CD, для чего достаточно перерезать одну из перемычек на плате под синей крышкой.

Иногда двигатели имеют 4 раздельные обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными или четырехобмоточными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать и как униполярный, и как биполярный.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность, а значит при одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путей для повышения магнитного поля два – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника, однако на практике гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя в следствии потерь из-за омического сопротивления обмоток. Тут и проявляется преимущество конструкции биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток, а другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра или увеличивать габариты двигателя. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки. Иными словами, на биполярный двигатель той же мощности надо намотать в два раза меньше медного обмоточного провода, чем на униполярный, а случае, если обмотки равны по массе, то биполярный двигатель будет мощнее примерно на 40%.

На практике можно встретить оба типа двигателей, так как биполярные дешевле из-за меньшей материалоемкости, а униполярные требуют значительно более простых драйверов. В настоящее время наиболее широко распространены гибридные биполярные двигатели.

Где приобрести ШД? Вы можете купить шаговые двигатели в нашем магазине 3DIY с доставкой по всей России!

Знакомство

Сначала немного посмотрим на внешний вид нашего героя:

Он действительно очень маленький! Согласно умной книжке Петренко С.Ф.

«Пьезоэлектрические двигатели в приборостроении», меньших размеров электромагнитные моторчики создать в принципе невозможно… то есть возможно, но с уменьшением диаметра проволоки, из которой изготавливают обмотки, всё больше энергии рассеивается в виде тепла в окружающую среду, что приводит к уменьшению КПД моторчика и делает их использование нерациональным.

Из примечательного, можно отметить, что его вал очень короткий и имеет специальную проточку для установки шестерни или рычага.

Отчётливо видны две обмотки, которые даже покрыты изоляцией разного цвета. Значит, наш моторчик относится, скорее всего, к классу

биполярных шаговых двигателей

.

Посмотрим как он устроен:

Считаю, наше знакомство с этими моторчиками будет не полным, если мы не посмотрим, что же у него внутри. Ведь всегда интересно заглянуть внутрь механизма! Разве нет?

Собственно, ничего необычного мы не увидели. Ротор намагничен. Подшипников нигде не наблюдается, всё на втулках. Задняя втулка запрессована в корпус двигателя. Передняя ничем не закреплена. Интересно, что корпус двигателя собирался точечной сваркой. Так что переднюю крышку корпуса пришлось спиливать.

Теперь перейдём к вопросу подключения и его электрическим характеристикам.

Убедимся, что он биполярный, прозвонив обмотки. Действительно биполярный, всё как на картинке выше.

Сопротивление обмоток около 26Ом

, хотя продавец указал 14Ом.

В описании сказано, что

напряжение питания 5В

. Хотя мы то с вами знаем, что для шагового двигателя важен ток, который будут потреблять его обмотки.

Пробуем подключить.

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

• полношаговое

• полушаговое

• микрошаговое

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД?Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!

Эксперимент №1. L293D + ATtiny44

Как мы знаем, для управления биполярным шаговым двигателем необходимо не просто прикладывать напряжения к двум обмоткам в нужной последовательности, но и изменять направление тока в этих обмотках, причём делать это независимо друг от друга. Для этого на каждую обмотку нужен собственный Н-мост. Чтобы не городить его из транзисторов, был взят готовый в лице микросхемы L293D. Ещё одно её преимущество — у микросхемы имеются специальные выводы Enable1 и Enable2, который включают и выключают каждый мост. Их можно использовать чтобы подавать ШИМ сигнал, тем самым, возможно контролировать напряжения питания каждого моста. Зачем это может понадобиться, мы увидим дальше.

Кроме того, L293D может коммутировать

напряжения до 36В и выдавать до 1,2А на каждый канал

, чего вполне должно хватить для питания обмоток нашего моторчика.

Итак, схема:

Управляющие входы L293D подключены к выходам OC0A и OC0B, что позволит в будущем подавать на них ШИМ сигнал.

Прошивать контроллер будем через внутрисхемный программатор (на схеме не указан).

Вот как выглядит собранная схема на макетной плате:

И вот так расположен наш подопытный:

Теперь можно приступать к экспериментам.

Рассчитаем ток, который будет течь через обмотки двигателя при подключении их к напряжению 5В:

I=U/R = 5В/26Ом = 190мА

Совсем небольшой. Интересно как долго он сможет держать такой ток и не перегреться.

Включим в цепь одной из обмоток амперметр и вольтметр, и проведём замеры соответствующих величин при подачи питания на эту обмотку через драйвер.

При падении напряжения на обмотке

2.56В амперметр показывает ток 150мА

, причём хорошо заметно, как начинает падать величина силы тока в процессе нагревания обмоток. Надо отметить, что не так уж и сильно он греется.

Убедившись, что напряжение 5В для моторчика опасности не представляет, попробуем покрутить им в разные стороны. И вот теперь пару слов мы скажем про режимы работы шагового двигателя.

Об этом довольно хорошо сказано

здесь

.

Не будем повторяться, но вспомним, что шаговый двигатель может работать в трёх режимах:

• Полношаговый однофазный это когда одновременно напряжение подаётся только на одну фазу двигателя, ротор делает шаг, затем текущая фаза выключается и включается следующая.
• Полношаговый двухфазный это когда напряжение подаётся одновременно на две фазы мотора, при этом, ротор притягивается одновременно к двум обмоткам, что создаёт больший крутящий момент.
• Микрошаговый режим в этом случае реализуется тот же принцип, что и на полношаговом двухфазном, то есть работают одновременно две обмотки, но напряжение (и как следствие ток) распределяется между ними неравномерно. Фактически, это означает, что мы можем поставить моторчик в неограниченное количество положений (на практике, разумеется, такого сделать нельзя). Увеличивается точность позиционирования.

Попробуем реализовать первые два режима на микросхеме L293D а для микрошагового режима оставим специальный драйвер из второго эксперимента.

Исходный код программы выглядит следующим образом:

Полношаговый режим. Одна фаза

Двигатель делает 16 шагов на один оборот. Причём шаги для двух фаз имеют не одинаковую угловую величину. Не знаю с чем это связано. Может конструкция двигателя такая?

Посмотрим на максимальную частоту шагов, которую он может обеспечить в таком режиме, не пропуская их.

Минимальная задержка между шагами 2мс, значит 500 шагов/секунду. Неплохо, это 31 об/сек = 1850 об/мин.

Полношаговый режим. Две фазы

Обратите внимание, что в этом случае шаги получаются ровнее, они одинаковы по величине (во всяком случае, более одинаковы, чем в предыдущем случае).

Естественно, в этом случае под напряжением находятся одновременно две обмотки и теплоотдача возрастает. Двигатель уже через несколько секунд нагревается достаточно сильно, потому эксперимент я прекратил.

Что с максимальной частотой шагов? 500 шагов/секунду; 31 об/сек = 1875 об/мин.

Надо сказать, что для шагового двигателя он довольно шустрый. Это связано с малым количеством магнитных полюсов на роторе.

Продолжаем…

 Конструктивные исполнения ШД

Обычный шаговый двигатель 

Тут нет никаких изысков – корпус, вал, в общем стандарт. Широко распространен в разном оборудовании, начиная от фрезеров и 3д принтеров, заканчивая приводом заслонки или мешалки.

Двигатель с полым валом

Шаговые двигатели с полым валом применяются когда существует необходимость передачи крутящего момента без применения соединительных муфт, например для использования в ограниченном пространстве. Так же сквозь него можно продеть длинный вал, который будет торчать с двух сторон и синхронно крутить что-то с одной и с другой стороны.

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой 

Такой вид двигателя может найти применение в том случае, если требуется быстрое перемещение на большое расстояние. Длинный винт на высоких оборотах ведет себя подобно скакалке, а при использовании такого мотора винт можно неподвижно натянуть между опорами, а сам мотор закрепить на подвижной части оборудования. Тогда длина и нежесткость винта не будет влиять на максимальную скорость.

Двигатель с двойным валом

В этом исполнении двигатель имеет удлиненный вал, длинный конец которого выступает со стороны задней крышки. На этот удлиненный вал можно повесить барашек, чтоб можно было выставить положение вала вручную, повесить энкодер и получить сервошаговый двигатель, а можно повесить дополнительный шкив или винт, которые будут работать абсолютно синхронно с передним валом.

Двигатель с винтом вместо вала

Находят себе применение например в 3д принтерах или в любом другом месте, где хочется сэкономить место не только на муфте между валом и винтом, но и на подшипниковой опоре винта, роль которой в данном случае выполняют подшипники двигателя.

Двигатель со встроенным тормозом

Позволяет зафиксировать вал в нужной позиции дополнительно к удержанию самим шаговиком. Так же позволяет удерживать вал в случае отключения питания двигателя.

Двигатель с редуктором

Редуктор позволяет понизить обороты двигателя и поднять его крутящий момент. Данное исполнение редко встречается в связи с тем, что шаговые двигатели и так имеют значительный момент на низких оборотах и сами по себе могут достигать весьма низких скоростей вращения.

Двигатель с энкодером

Он же сервошаговый двигатель. Фактически это сервопривод на шаговом двигателе. На удлиненный вал со стороны задней крышки монтируется энкодер в корпусе и благодаря этому мы получаем обратную связь о положении вала двигателя. В случае пропуска шагов двигателем контроллер узнает об этом и ориентируясь на показания энкодера будет подавать дополнительные импульсы до тех пор, пока вал не займет нужное положение. Сервошаговый двигатель используется со своим специальным драйвером, который имеет вход для подключения энкодера.

Преимущества шагового двигателя

• угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.
• зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.
• двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.
• прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.
• высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников
• возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.
• большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования
• может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Недостатки шагового двигателя:

• шаговым двигателем присуще явление резонанса. Шаговые двигатели обладают собственной резонансной частотой. Это связано с тем, что ротор после подачи тока в обмотку некоторое время колеблется, прежде чем зафиксироваться в конечном положении, и колебания тем сильней, чем больше инерция ротора. Резонанс приводит к повышенному шуму, вибрациям и падению крутящего момента двигателя. Один из способов победить резонанс – увеличить деление шага. Мелкие перемещения в микрошаге не требуют длительных разгона и фиксации ротора, быстро останавливают его между шагами и увеличивают частоту шагания выше резонансной.

• возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. При превышении усилия на валу выше того, который может создать двигатель, он начнет пропускать шаги. Так как у двигателя нет обратной связи, то контроллер не может узнать об этом и даже если двигатель начнет вращаться снова, стартует он уже из неправильного рабочего положения. Для устранения этого недостатка можно использовать сервошаговый двигатель или увеличить момент на валу, повысив напряжение, настроив драйвер на больший ток или заменив двигатель на более мощный.
• потребляет энергию независимо от нагрузки. Шаговый двигатель в промежуточном положении фиксируется с полным моментом. Шагает он тоже с полным моментом. Поэтому он продолжает потреблять электричество без особой зависимости от нагрузки на валу. Снизить общее потребление энергии двигателем мы можем применив драйвера, которые уменьшают подаваемый в режиме удержания ток.
• затруднена работа на высоких скоростях. На высоких скоростях вращения шаговый двигатель значительно теряет момент и при достижении определенной частоты оборотов момент становится настолько мал, что вал не может дальше крутиться. В этом момент двигатель останавливается и гудит с частотой подаваемых импульсов. Этот недостаток можно устранить, повысив питающее напряжение, что увеличит крутящий момент как на повышенных, так и на пониженных оборотах, использовать более продвинутый драйвер, который на высоких скоростях вращения переходит на полношаговый режим управления двигателем или попросту заменив шаговик на сервопривод, который рассчитан на высокие скорости.
• невысокая удельная мощность.Шаговый двигатель по удельной мощности на грамм веса не самый энергонасыщенный электропривод. Сделать с этим мы ничего не можем.
• относительно сложная схема управления.Драйвера шаговых двигателей насыщены электроникой. Тут мы тоже не можем что-то изменить.

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору нескольких вещей:

1. вида двигателя (его размеры)
2. тока фазы
3. индуктивность

Что касается вида двигателя, то при отсутствии каких-то определенных предпочтений мы бы рекомендовали использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами, так как они наиболее распространены и, что не менее важно, не менее распространены драйвера для них. То есть случае какой-либо поломки вы легко найдете замену и отремонтируете станок.
Размер двигателя и его ток проще всего подобрать, ориентируясь на готовые станки от известных производителей, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам — проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом и можно взять их характеристики за основу. Производитель двигателя в данном случае не особо важен, так как ввиду отработанной технологии производства их характеристики у разных производителей примерно одинаковые.
Остается одна характеристика – индуктивность.

При одинаковом напряжении питания двигатели с большей индуктивностью имеют больший момент на низких оборотах, и меньший – на высоких, как видно из графика. Но большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, повысив напряжение питания, тогда как при использовании двигателей с небольшой индуктивностью повышение напряжения может привести к тому, что двигатель будет перегреваться без заметной прибавки в характеристиках. Это связано с тем, что нарастание тока в обмотках с низкой индуктивностью идет быстрее и мы легко можем получить среднее значение тока выше номинального, а как следствие этого – перегрев. Таким образом при прочих равных лучше выбрать двигатель с большим значением индуктивности.