Как работают шаговые двигатели

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

 

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Обобщенная схема шагового двигателя

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

Работа шагового двигателя

 

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

Работа шагового двигателя У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Управление полным шагом

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточное возбуждение

Однообмоточный режим


Двухобмоточное возбуждение

Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Формы сигнала для управления шаговым двигателемМетод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Работа в микрошаговом режиме

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

 

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс.  У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Размещение дисков на гибридном шаговом двигателе

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Выравнивание дисков на гибридном шаговом двигателе

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Работа гибридного шагового двигателя

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите.  Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

 

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Схема биполярного шагового двигателя

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Подключение обмоток униполярного двигателя с 6 выводами

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

Униполярный шаговый двигатель с 5 выводами

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

  • 5 или 6-выводной униполярный,
  • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
  • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
  • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

8-выводной шаговый двигатель

Похожие статьи

Arduino - что это такое? Популярно для начинающих

Arduino - что это такое? Популярно для начинающих

Arduino это недорогая, доступная в смысле покупки электронная плата с микроконтроллером и выводами входов-выходов. Arduino выпускаются в различных версиях, но поддерживают один и тот же, простой язык программирования. Огромный успех Ардуино, с уважением к другим микроконтроллерам, связан с тем, что аппаратное и программное обеспечение были опубликованы в открытом бесплатном для общего пользования виде: вы можете читать, изучать и даже расширять его возможности как в плане программного обеспечения, так и с точки зрения аппаратных средств. Вся информация об Ардуино доступна под лицензией "Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License".

Выбор шагового двигателя

Выбор шагового двигателя

Вам уже приходилось делать выбор между разными шаговыми двигателями для реализации своих амбициозных проектов? Зачастую у новичков существует миф, что NEMA 17 слабые и ни на что не годные шаговики, а для 3D-принтера обязательно нужен как минимум NEMA 23, а то и дороже. Давайте попробуем разобраться какие критерии всё-таки должны учитываться при правильном выборе шагового двигателя. Если на них не обращать внимание, а просто надеяться на свой инстинкт потребителя, то в результате можно сильно разочароваться. К примеру можно купить как бы обычный двигатель NEMA 17 и стандартный драйвер рекомендуемый под него, но получить постоянно перегревающуюся микросхему драйвера и невозможность нормальной работы проекта.

Посмотрим для начала какой выбор нам предоставляют самые доступные поставщики шаговых двигателей.


Arduino основы программирования

Arduino основы программирования

Здесь мы научимся писать элементарную программу способную сделать что-либо интересное для новичка. Здесь вы узнаете, как написать простейший скетч для Arduino используя стандартый IDE. Мы пока пропустим использование входов-выходов, но обратим внимание на связь через USB. Синтаксис языка Arduino точно повторяет язык C, поэтому на нем мы останавливаться не будем. Мы сконцентрируемся на конкретных аспектах Arduino языка, в котором вы можете использовать все принципы, которые присущи языку C: переменные, операторы, состояния, типы, константы и т.д.

Arduino и шаговый двигатель

Arduino и шаговый двигатель

Перед началом очередного проекта на Arduino, было решено использовать шаговый двигатель Nema 17 из-за отличного соотношения цена/качество. Перед подключением Nema 17, за плечами был определенный опыт работы с шаговиком 24byj48 (даташит). Управлялся он и с помощью Arduino, и с помощью Raspberry pi, проблем не возникало. Основная прелесть этого двигателя - цена (около 3 долларов в Китае). Причем, за эту сумму вы приобретаете двигатель с драйвером в комплекте. Согласитесь, такое можно даже и спалить, не особо сожалея о содеянном.

Простейший трекер для домашней солнечной электростанции

Простейший трекер для домашней солнечной электростанции

Трекер повышает КПД солнечных панелей

Как известно, солнечные панели имеют максимальный КПД в том случае, когда они расположены перпендикулярно падающим на них солнечным лучам. Но солнце перемещается по небосводу и стационарно установленные панели из-за этого теряют часть своей эффективности. Чтобы повысить их эффективность, используют трекеры — специальные устройства, которые поворачивают панели «вслед» за солнцем:

Как ускорить доставку Алиэкспресс?? Есть ответ ! Есть совет !

Как ускорить доставку Алиэкспресс?? Есть ответ ! Есть совет !

К сожалению, подогнать роботу почтовых служб, чтобы они доставили ваш заказ с Алиэспресс, практически невозможно. За исключением тех случаев, когда посылка надолго зависла на каком- либо этапе и ее нужно найти.

Но, повлиять на скорость доставки товара можно еще до оплаты заказа. Давайте подробнее рассмотрим, как ускорить доставку товаров с АлиЭкспресс?

NRF24L01 2.4 ГГц радио/беспроводные передатчики и Arduino

NRF24L01 2.4 ГГц радио/беспроводные передатчики и Arduino

Давайте начнем с тех возможностей, которые откроются перед вами, если вы обеспечите беспроводной обмен данными между двумя платами Arduino:

  • Удаленное снятие показаний с датчиков температуры, давления, систем сигнализации на основе пироэлектрических датчиков движения и т.п.
  • Беспроводное управление и мониторинг состояния роботов на расстоянии от 50 2000 футов до 1 км.
  • Беспроводное управление и мониторинг помещений в соседних домах.

Сенсорная кнопка и Arduino

Сенсорная кнопка и Arduino

Подобные кнопки/датчики используют ваше тело как часть электрической цепи. Когда вы касаетесь чувствительной поверхности сенсорной кнопки, емкость цепи изменяется и фиксируется. Изменение емкости приводит к изменению выходного сигнала.

Вероятно, многим может показаться, что использовать подобный модуль непросто и периодически придется иметь дело с неожиданным результатом. Что ж, оказывается, что все не так. Сенсорная кнопка отлично справляется с поставленными задачами и не преподносит никаких сюрпризов, хотя стоимость и настораживает.

Установка драйвера CH340 для ардуино arduino и отключение цифровой подписи драйверов для windows

Установка драйвера CH340 для ардуино arduino и отключение цифровой подписи драйверов для windows

В последнее  время появилось много устройств с использованием микросхемы CH340G и потребность в драйверах для нее очень резко выросла. Много кто ищет где скачать и как установить драйвера для CH340G. Мы сегодня решили разобраться с этой проблемой

Работа с ардуино и  IR приёмник - один из способов  дистанционного управления Arduino

Работа с ардуино и IR приёмник - один из способов дистанционного управления Arduino

Итак, начнём изучать способы дистанционного управления Arduino, а конктретно ИК сигналы. Инфракрасный(ИК) спектр не виден человеческому глазу, но отлично воспринимается цифровыми камерами и ИК приёмниками(с ними и будем работать). Данный способ управления удобен для управления техникой в прямой видимости (телевизор, кондиционер, аудио и видео аппаратура). Но об этом мы поговорим во втором уроке. Для начала научимся считывать IR сигнал с любого пульта. 

Станок для раскраски яиц на пасху

Станок для раскраски яиц на пасху

В предверии пасхи родилась идея сделать станок для раскраски яиц. Так же, конструкция позволяет раскрашивать и другие круглые объекты размером от 4 до 9 сантиметров.

Для изготовления робота я использовал 3d принтер и arduino для управления движениями.

Arduino и использование двигателей. Подключение двигателя постоянного тока и управление силовой нагрузкой

Arduino и использование двигателей. Подключение двигателя постоянного тока и управление силовой нагрузкой

Управление маленьким двигателем может быть может осуществляться довольно просто. Если двигатель достаточно маленький, он может быть непосредственно соединен с выводом Arduino, и просто изменяя уровень управляющего сигнала от логической единицы до нуля будем контролировать моторчик. Этот проект раскроет вам основную логику в управлении электродвигателем; однако, это не является стандартным способом подключения двигателей к Arduino. Мы рекомендуем, вам изучить данный способ, а затем перейти на следующую ступень - заняться управлением двигателями при помощи транзисторов.

Распиновка самых популярных плат ардуино Arduino board pinmaping

Распиновка самых популярных плат ардуино Arduino board pinmaping

В посте собраны практически все платы ардуино с распиновкой в хорошем качестве !

Arduino - это эффективное средство разработки программируемых электронных устройств, которые, в отличие от персональных компьютеров, ориентированы на тесное взаимодействие с окружающим миром. Ардуино - это открытая программируемая аппаратная платформа для работы с различными физическими объектами и представляет собой простую плату с микроконтроллером, а также специальную среду разработки для написания программного обеспечения микроконтроллера.

Ардуино может использоваться для разработки интерактивных систем, управляемых различными датчиками и переключателями. Такие системы, в свою очередь, могут управлять работой различных индикаторов, двигателей и других устройств. Проекты Ардуино могут быть как самостоятельными, так и взаимодействовать с программным обеспечением, работающем на персональном компьютере (например, приложениями Flash, Processing, MaxMSP). Любую плату Ардуино можно собрать вручную или же купить готовое устройство; среда разработки для программирования такой платы имеет открытый исходный код и полностью бесплатна.

Язык программирования Ардуино является реализацией похожей аппаратной платформы "Wiring", основанной на среде программирования мультимедиа "Processing".


Arduino Yun – отладочная плата на базе микроконтроллера ATmega32u4 и Atheros AR9331

Arduino Yun – отладочная плата на базе микроконтроллера ATmega32u4 и Atheros AR9331

Процессор Atheros поддерживает дистрибутив Linux, основанный на базе OpenWrt и называемый OpenWrt-Yun. Плата имеет встроенную поддержку Ethernet и WiFi, порт USB-A, слот для карты micro-SD, 20 цифровых входных/выходных выводов (из которых 7 могут использоваться в качестве ШИМ выходов, а 12 – в качестве аналоговых входов), кварцевый резонатор 16 МГц, соединение microUSB, разъем ICSP и 3 кнопки перезагрузки.

Счетчик подписчиков для Ютуба онлайн на базе ЕСП8266 WI-FI своими руками

Счетчик подписчиков для Ютуба онлайн на базе ЕСП8266 WI-FI своими руками

Это очень интересный проект и главное простой в реализации для моих подписчиков – видеоблогеров . Все что нам нужно - это WiFi-модуль NODEMCU и дисплей сегментный на 8 чисел для вывода количества подписчиков на канале Youtube .

Сторожевой таймер Watchdog на arduino для майнига . Делаем watchdog своими руками на ардуино UNO

Сторожевой таймер Watchdog на arduino для майнига . Делаем watchdog своими руками на ардуино UNO

Предлагаю вариант устройства автоматически перезагружающее компьютер при зависании.


В основе лежит известная плата Arduino с минимальным количеством внешних электронных компонентов. Транзистор подключаем к плате согласно рисунку ниже. Коллектор транзистора подключаем вместо кнопки "Reset" компьютера на материнскую плату, на тот контакт который НЕ соединен с GND

Теги: Как работают шаговые двигатели