Шаговые двигатели. принцип работы и управление

Устройство сервопривода

Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора.

Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.

Драйвер шагового двигателя ULN2003

Внешний вид драйвера шагового двигателя ULN2003 приведен на следующем рисунке.

На этом рисунке контакты, обозначенные надписью желтого цвета, используются для подключения двигателей, а контакты, обозначенные розовым цветом – для подключения микроконтроллера. Также необходимо установить правильное положение джампера, обозначенного красным цветом чтобы он подключал диод, обеспечивающий защиту двигателя.

В нашем проекте мы будем вращать двигатель в режиме полного шага сначала по часовой стрелке, а потом против часовой стрелки. Более подробно работу проекта вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.

3 Задание к работе

3.1 Исследовать параллельный регистр

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема 4-х битного параллельного регистра

Записать целые десятичные числа от 0 до 15 в двоичной системе счисления в регистр и считать их. Заполнить таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Коды, записанные в параллельный регистр

Записываемое десятичное число	Считанное из регистра двоичное число
1
.
15

3.2 Исследовать последовательно-параллельный регистр

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема последовательно-параллельного регистра

Элемент 74164 – это последовательно-параллельный регистр.

ВНИМАНИЕ! Для того, что бы выполнить блок Antitinkling, прочтите инструкцию Борьба с дребезгом контактов. Записать нечётное число в интервале от 32 до 56 в последовательном коде, поразрядно продвигая его влево путём нажатия кнопки Button

Записать результат в отчёт

Записать нечётное число в интервале от 32 до 56 в последовательном коде, поразрядно продвигая его влево путём нажатия кнопки Button. Записать результат в отчёт.

3.3 Исследовать параллельно-последовательный регистр

Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема параллельно-последовательного регистра

Элемент 74166 представляет собой параллельно-последовательный регистр.

Чтобы записать на входе число необходимо установить на входе STLD логический 0 и подать синхроимпульс, чтобы начать считывать записанное число необходимо на вход STLD подать логическую 1 и подавать синхроимпульсы.

Записать число в интервале от 32 до 56 в параллельном коде и поразрядно считывать его на выходе. Записать результат в отчёт.

В этом эксперименте мы рассмотрим работу Arduino с микросхемой 74HC595 – расширителем выходов, позволяющей уменьшить количество выводов Arduino для управления 4-разрядной семисегментной матрицей.

Необходимые компоненты:

Приступаем к написанию скетча запуска и останова секундомера 0–999 сек с точностью 0.1 сек. Используем библиотеку Arduino SPI. Поскольку при использовании библиотеки SPI применяются Arduino выводы 11 и 13, для выбора регистров матрицы используем выводы Arduino 4, 5, 6, 7. Содержимое скетча показано в листинге 8.1.

Порядок подключения:

1. Подключаем семисегментный индикатор по схеме на рис. 8.2. 2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 8.1. 3. Нажатием кнопки запускаем или останавливаем секундомер.

Контроллер управления шаговыми двигателями, сделанный своими руками

Задача проста: по готовой схеме и программе Павла Бахтинова с этого форума развести печатную плату, собрать и отладить контроллер управления шаговыми двигателями, установленными в монтировке астрономического телескопа. Далее, необходимо изготовить приличный корпус и пульт управления.

Все начинается с деталек (сразу вспоминается закон Мерфи: «Ни один талант не смог пережить страсти к деталькам» ):

Работа над схемой:

Разводим печатную плату:

Фотошаблон готов:

Тут надо сказать несколько слов о моем НОУ-ХАУ в изготовлении фотошаблонов для перевода рисунка на печатную плату.

Обычно я их печатаю на принтере — чаще на струйном, реже на лазерном, т.к. термопленка давала непредсказуемую усадку после термообработки в лазернике (а шаблоны необходимы для двух сторон), поэтому невозможно было совместить два шаблона с достаточной точностью (до 0,15 мм).

Струйный принтер хорошо повторяет размеры, но не достаточно плотно заполняет черным цветом дорожки, кое-где они все же просвечиваются. Решение этой проблемы было вскоре найдено: печатаем не чистым черным, а чуть светлее в сторону желтого — принтер начинает добавлять к черной краске желтую (непрозрачную для УФ излучения) и дорожки, хотя и выглядят более прозрачными, после перевода фотоспособом получаются более плотные, практически без изьянов.

Главное — подобрать экспозицию:

Идет процесс травления печатной платы:

Протравлена полностью:

Сверлим отверстия диаметром от 0.7мм до 1.5мм самодельным сверлильным станком:

Паяльник старенький да удаленький:

Забиваем плату деталями:

Все детали запаяны:

Обратная сторона платы, начался процесс отладки:

Вот так будем ставить нагревающиеся элементы (те, что выше на рисунке с этой стороны платы стоят — интегральный стабилизатор и две микросхемы — драйверы моторов) вот на такие красивые радиаторы:

В данное время началась работа над пультом. Главное в пульте управления, считаю  — эргономика, насколько только это уместно применить к той коробочке, которая получится после сборки на отечественных БОЛЬШИХ, но надежных микрокнопках.

… И, так, после продолжительного перерыва снова продолжил работу над этим проектом.

Немного поигрался с разными вариантами дизайна пульта и, вот, к чему я пришел:

Настройка тока DRV8825.

Перед использованием мотора нужно сделать небольшую настройку, необходимо ограничить максимальную величину тока, протекающего через катушки шагового двигателя, и ограничить его превышение номинального тока двигателя, регулировка осуществляется с помощью небольшого потенциометра.

Для настройки необходимо рассчитать значение напряжения Vref.

Vref = Current Limit / 2

где,

Current Limit — номинальный ток двигателя.

Для примера рассмотрим двигатель NEMA 17 17HS4401 с током 1,7 А.

Vref = 1,7 / 2 = 0,85 В.

Осталось только настроить, берем отвертку и вольтметр, плюсовый щуп вольтметра устанавливаем на потенциометр, а щуп заземления на вывод GND и выставляем нужное значение.

Подключение драйвера шагового двигателя DRV8825 к Arduino UNO.

Подключим двигатель DRV8825 к Arduino UNO по схеме.

Для этого подключаем GND LOGIC к GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигателя к контактам B2, B1, A2 и A1.

Предупреждение: Подключение или отключение шагового двигателя при включенном приводе может привести к его повреждению.

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLP к 5В на Arduino, чтобы включить драйвер. А контакты выбора микрошага необходимо оставить не подключенными, чтобы работал режим полный микрошаг. Теперь осталось подключить питание двигателя к контактам VMOT и GND MOT, главное не забудьте подключить электролитический конденсатор на 100 мкФ к контактам питания двигателя. В противном случае, при скачке напряжения модуль может выйти из строя.

Скетч вращения шагового двигателя NEMA 17, драйвер DRV8825.

Как уже было упомянуто выше, драйвер DRV8825 заменим драйвером A4988, поэтому и код вращения двигателем можно взять из предыдущей статьи: Драйвер шагового двигателя A4988. Но для увеличения кругозора сегодня будем использовать код вращения двигателя nema 17 без использования библиотеки.

const int dirPin = 2;
const int stepPin = 3;
const int stepsPerRevolution = 200;

void setup()
{
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(dirPin, HIGH); // Установка вращения по часовой стрелки
  
  for(int x = 0; x > stepsPerRevolution; x++)
  {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(2000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(2000);
  }
  delay(1000);
  
  digitalWrite(dirPin, LOW); // Установка вращения против часовой стрелки

  for(int x = 0; x < stepsPerRevolution; x++)
  {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(1000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(1000);
  }
  delay(1000);
}

Описание скетча:

Для работы данного скетча, не требуется никаких библиотек. Программа начинается с определения выводов Arduino, к которым подключены выводы STEP и DIR. Так же указываем stepsPerRevolution количество шагов на оборот.

В функции void setup() указываем управляющие контакты как выход.

В основной функции void loop(), вращаем двигатель по часовой стрелке, затем против, с разной скоростью.

Подробнее о подключении шаговых двигателей к Ardiono смотрите на сайте Ардуино технологии.

Для более простого подключения шагового двигателя к Arduino или другому микроконтроллеру существуют модули. Модули бывают разные, на фото ниже приведен пример двух различных модулей.

Распиновку и как подключать модуль драйвера DRV8825 будем рассматривать в следующей статье.

Использование драйвера DRV8825 с CNC shield v3.

Драйвер DRV8825 можно установить на CNC shield v3. CNC shield используются для управления ЧПУ станками и облегчают сборку электроники.

Данный набор позволяет без пайки собрать электронику для двух осевых, трех осевых, четырех осевых ЧПУ станков, а также для самостоятельной сборки 3D принтеров. При реализации ЧПУ станков данные шилды используются достаточно часто благодаря своей низкой цене и простоте сборки. Более подробно CNC shield v3 будем рассматривать в следующих статьях.

Вывод можно сделать следующий. Драйвер DRV8825 обладает рядом преимуществ перед драйвером A4988. А также, при использовании драйвера шагового двигателя DRV8825, меньше шума от шаговых двигателей. Это актуально при сборке лазерного гравера, 3D принтера. Когда при работе главный источник шума — это механика и гул шаговых двигателей.

Понравился статья Драйвер шагового двигателя DRV8825? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.

А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу , в группу на .

Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Фотографии к статье

Файлы для скачивания

Скачивая материал, я соглашаюсь с
Правилами скачивания и использования материалов.

drv8825-datasheet.pdf

743 Kb

329

Скачать

Принцип работы шагового электродвигателя

1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

О разновидностях двигателей

Для станка используемая разновидность шаговых двигателей – параметр не менее важный, чем остальные. Каждая модель наделена своими особенностями.

1. Биполярные чаще всего применяются совместно с ЧПУ.

Главное достоинство – возможность легко выбрать новый драйвер, если старый выходит из строя. На малых оборотах при этом сохраняется высокое удельное сопротивление.

1. Трёхфазные.

Для них характерна высокая скорость. Актуальны, если именно данному параметру уделяют больше всего внимания в случае выбора.

1. Униполярные.

Это несколько видов биполярных двигателей, которые отличаются друг от друга и подбираются в зависимости от подключения обмотки.

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.

Что такое шаговый двигатель?

Прежде чем перейти к статье, давайте сразу договоримся, что статья не направлена на специалистов, а её цель – донести любознательным любителям техники и технологий о таком устройстве, как шаговый двигатель и об основах работы с ними. Поэтому умников и критиков, жаждущих поговорить о великом многообразии управляемого и регулируемого электропривода, прошу идти общаться на тематические ресурсы по ЧПУ-станкам и 3D-принтерам.

Формулировка достаточно понятна, но её последнее предложение может вызвать некоторое недопонимание. Поэтому я предлагаю провести небольшое сравнение.

Всем известно что ротор «обычного» электродвигателя, будь то асинхронного, синхронного, коллекторного или любого другого будет вращаться до тех пор, пока на него подают напряжение питания, и после отключения питания он будет вращаться еще какое-то время по инерции, если же не используются какие-либо средства для его торможения.

Ротор такого двигателя вращается просто вокруг своей оси без каких-либо ограничений, на 360 градусов, и остановится он в любом месте. Зафиксировать его положением можно только механически (тормозом). По этой причине не получится добиться точного позиционирования исполнительных механизмов, что требуется в робототехнике, ЧПУ-станках и другом автоматизированном оборудовании.

Но шаговые двигатели разработаны для применения в механизмах, где детали поворачиваются точно на требуемый угол.

Питание такого двигателя невозможно без системы управления, или как его еще называют, драйвера — он подаёт импульсы в нужные обмотки, чтобы повернуть ротор на нужный угол. Это наглядно иллюстрирует приведенная ниже анимация.

Кроме того, что можно поворачивать двигатель на определенный угол и фиксировать его в этом положении, делать это всё можно без схемы обратной связи (датчиков положения и прочего).

Рассматривать типы шаговых двигателей в пределах этой статьи мы не будем, лишь кратко перечислим, какими они бывают. По конструкции:

2. С постоянными магнитами.

По способу питания:

1. Униполярные (однополярные — ток пропускают через обмотки только в одну сторону).
2. Биполярные (ток пропускают через обмотки в обе стороны). Здесь драйвер должен подавать напряжение различной полярности, что несколько усложняет схемотехнику. При тех же размерах развивают бОльшую мощность по сравнению с униполярными.

В униполярном двигателе зачастую 5 проводов — 1 общий, от середины каждой из двух обмоток, и 4 от концов обмоток. Иногда говорят «4 обмотки» — это также правильно, поскольку фактически мы получаем 4 обмотки соединенных в общей точки.

Также ШД могут отличаться и по количеству проводов, это зависит от того, как соединены обмотки и какое питание предполагается, некоторые варианты вы видите в таблице ниже.

Управление шаговым двигателем

Различают два способа управления шаговым двигателем:

1. Полношаговое

. Одновременно включается только пара обмоток (без перекрытия с другими). Достигается максимальный момент на валу, но точность установления угла меньше, чем в других способах.

2. Полушаговое

. В этом случае увеличивается количество шагов, соответственно повышается точность установки положения вала. На каждый первый шаг включается одна обмотка, на каждый второй шагами (полушаг) – пара обмоток. Но когда включена одна обмотка момент на валу снижается вдвое.

На анимациях ниже наглядно продемонстрировано

В некоторых источниках отдельно обозначают микрошаговое управление. Используется, когда необходимо максимальное количество шагов и точность управления. По способу управления оно похоже на полушаговый режим, между шагами включаются две обмотки, а отличие в том, что токи в них распределяются не равномерно. Главный недостаток такого подхода — усложняется коммутация (система управления).

Регистр сдвига параллельного входа — последовательного выхода

В регистре сдвига «Параллельный вход — последовательный выход» данные передаются параллельно, например, рассмотрим 4-битный регистр, показанный ниже.

Этот регистр может использоваться для хранения и сдвига 4-битного слова, при этом управляющий вход записи / сдвига (WS) управляет режимом работы сдвигового регистра. Когда линия управления WS имеет низкий уровень (режим записи), данные могут быть записаны и синхронизированы через D0 — D3. Для последовательного смещения данных линия управления WS переводится в ВЫСОКИЙ уровень (режим сдвига), затем регистр сдвигает данные на вход тактового сигнала. Параллельно в последовательном режиме наш регистр сдвига также называется регистром сдвига PISO.

Хорошим примером сдвигового регистра с параллельным входом и выходом является 8-битный регистр сдвига 74HC165, хотя он также может работать как регистр сдвига с последовательным входом и выходом.

Устройство имеет последовательный вход данных (DS), восемь параллельных входов данных (от D0 до D7) и два дополнительных последовательных выхода (Q7 и Q7 ‘). Когда на входе параллельной нагрузки (PL) НИЗКОЕ значение, данные от D0 до D7 загружаются в регистр сдвига асинхронно. Когда PL имеет высокий уровень, данные последовательно поступают в регистр DS. Когда вход разрешения синхронизации (CE) находится в состоянии НИЗКИЙ, данные сдвигаются при переходах НИЗКИЙ-ВЫСОКИЙ на входе CP. Высокий уровень CE отключает вход CP. Входы устойчивы к перенапряжению до 15 В. Это позволяет использовать устройство в приложениях для переключения уровней с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ.

Функциональная схема сдвигового регистра представлена ​​ниже;

Временная диаграмма для системы показана на изображении ниже;

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.

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:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
2. Гибридные синхронные двигатели.
3. Вентильные реактивные двигатели.
4. Шаговые двигатели Лавета.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

Унифилярные:

1. Красный, желтый – первая обмотка.
2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.

Бифилярные:

1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Микрошаговый режим привода

Основное время работы ШД происходит в пошаговом или полушаговом режиме, а при пуске и остановке желательно использовать микрошаговый режим для точной фиксации. Пошаговый режим определён конструкцией и импульсным управлением. При микрошаговой работе на обмотки подаются синусоидальные напряжения с нужным сдвигом фаз.

Ротор фиксируется при определённом соотношении фаз токов в обмотках. Расчёт точки равновесия произвести по формуле x = S *pi/2*arctg a/b где:

• a — момент, создаваемый первой фазой и b — второй фазой;
• x — точка равновесия ротора или микрошаг в радианах;
• S — угол шага.

А также надо учитывать максимальную частоту управляющего сигнала, при которой нет потери или добавления лишнего шага в процессе работы. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя и обозначается в характеристиках, как частота приёмистости двигателя.

В процессе эксплуатации необходимо следить за чистотой вокруг привода и не допускать попадания металлической стружки, возможен выход из строя ШД. Найти способ защитить привод. Ремонт аналогичен ремонту коллекторного двигателя, требует аккуратности.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при которой шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем. 

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потоком статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

Ваша заявка принята. В ближайшее время с Вами свяжется менеджер! Сейчас вы будете перенаправлены на страницу программного обеспечения PureMotion.

Ваша заявка принята. В ближайшее время с Вами свяжется менеджер! Сейчас вы будете перенаправлены на страницу с ЧПУ контроллерами PLCM.

Режимы работы синхронного шагового двигателя

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки
угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов
не происходит потери ни одного шага. Это значит, что
в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает
устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей
магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов
управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором
шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса
заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага
угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно
установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической
энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла.
Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические,
магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных
потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки
единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора
на шаг и более; в результате может быть расхождение между
числом шагов ротора и потока статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика — это зависимость
максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих
импульсов.

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при
которой не происходит потери или добавления шага при
их отработке. Она является основным показателем переходного режима
шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением
синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента
инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей
и статического момента сопротивления.

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

В. П. Колодийчик.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Итог

Главное преимущество контроллера на базе MC33035 — это простота в использовании. Просто покупаете микросхему, собираете Н-мост, спаиваете всё на плату с небольшой обвязкой — и контроллер готов. Если нужно просто запустить двигатель с ШИМ-сигналом и управлять им — оптимальный вариант.

Контроллер на базе Ардуино — вариант сложнее, понадобится писать логику, обеспечивать дополнительные защиты контроллера. Но для экспериментов, прототипов, дополнительного функционала, использования различных режимов работы двигателя — подходящий вариант. Поэтому я решил пока отложить MC33035 и продолжить работу с Ардуино.