ЧТО ТАКОЕ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И КАК ИМ УПРАВЛЯТЬ

Недостатки

Шаговые электродвигатели — эффективное решение, если нужно достичь точного перемещения механизма. Эти устройства — бюджетная альтернатива сервоприводам. Благодаря уже существующим библиотекам, а также драйверам ими легко управлять.

К основным параметрам, по которым производится выбор ШД, относятся: производитель, габаритные размеры, крутящий момент, номинальный ток и напряжение, а также конструктивное исполнение.

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

Доброго времени суток вам, дорогие выродки и сочувствующие!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подключение через драйвер

Низкая цена, а также способность точного позиционирования сделали ШД востребованным компонентом. Они нашли своё применение в робототехнике, а также в станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Наиболее популярный способ использования — это подключить мотор к программируемому контроллеру Arduino. Такое подключение выполнить достаточно просто. Для этого нужен любой Ардуино-совместимый контроллер и плата управления (драйвер).

Прежде всего, драйвер нужен, чтобы обеспечить поступление электроэнергии на катушки статора. Также он отвечает за частоту их коммутации, силу управляющего тока, а также он выполняет защитные функции.

Драйвер SUMTOR MB450A (4,2 А, одноканальный, двухфазный)

На современных устройствах располагаются две группы контактов, а также блок переключателей. Первая группа контактов — управляющие. Обычно по ним передаются сигналы включения, действия, а также определения направления движения. В устройствах SUMTOR они обозначены как: ENA, PUL, а также DIR.

ENA — пара контактов принимающая сигнал о разрешении или запрете работы электромотора;

IR — контакты, отвечающие за определение, в каком направлении будет вращаться электрическая машина;

PUL — принимает импульсы, которые отвечают за совершение одного или нескольких ходов.

Вторая группа контактов используется для присоединения электродвигателя, а также его источника питания.

Пары A+/A- и B+/B- используются для присоединения катушек электромотора;

DC — контакты для подачи питания от источника постоянного тока.

AC — пара контактов для подключения переменного напряжения.

Группа переключателей SW используется для ограничения величины питающего тока, а также создания необходимого числа микрошагов. Требуемые параметры настраиваются согласно таблице, нанесённой на корпус драйвера, путём включения и отключения переключателей.

Схема подключения ШД к плате Arduino Uno при помощи платы управления SUMTOR

Организовать необходимое функционирование мотора довольно просто, например, используя микроконтроллер на базе чипа ATMega. После присоединения всех элементов, а также настройке управляющей платы, нужно выполнить программирование микроконтроллера. Для этого составляется программа (скетч). Пример такого скетча приводится ниже.

pinMode(5, OUTPUT); // Puls
pinMode(6, OUTPUT); // Enable
pinMode(4, OUTPUT); // Direction

for(Index = 0; Index < 5000; Index++)

digitalWrite(5,HIGH);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(5,LOW);
delayMicroseconds(500);

Питание

В качестве источника питания должен использоваться внешний источник. Это позволяет максимально исключить влияние нагрузки на микрокомпьютер.

При выборе питающего напряжения следует отталкиваться от требований управляющей платы. Это может быть как постоянный, так и переменный ток с напряжениями в диапазоне от 5 до 110 В, в зависимости от модели драйвера.

Не следует подключать мотор к плате Ардуино или Raspberry напрямую. Даже если это маломощное устройство. Обратные токи, возникающие при остановке электромотора, могут привести к повреждению контроллера.

Сравнение

Высокой популярностью пользуются биполярные ШД марок и UMot.

SUMTOR — крупный производитель, специализирующийся на производстве как моторов, так и драйверов управления к ним. Электромоторы SUMTOR производятся в соответствии со стандартом NEMA и имеют различные номинальные характеристики питающего напряжения, тока, а также крутящего момента. Вот некоторые из них:

Электрическая машина 57HS6425A4

Технические характеристики

Технические характеристики — это отличительные черты установки характеризующая её, а также позволяющие сравнить с другими.

Степ-мотор SUMTOR 57HS10042A4 (NEMA 23)

Крутящий (динамический) момент

Это механическая характеристика электродвигателя. Она отражает номинальное усилие (нагрузку), создаваемое на вращающемся валу.

Удерживающий (статический) момент

Это механическое усилие, которое необходимо приложить к якорю для начала его вращения и преодоления статического сопротивления. Статическое сопротивление, в первую очередь, обусловлено силой трения на подвижных элементах степ-мотора.

Стопорный (тормозящий) момент

Это величина усилия, гарантированно останавливающее вращение. При увеличении нагрузки происходит постепенное снижение скорости движения. При достижении определённого критического значения электромотор окончательно останавливается.

Номинальное напряжение

Это одна из основных характеристик. Величина номинального напряжения зависит от индуктивности обмоток электродвигателя. Также она напрямую влияет на величину вращающего усилия.

Номинальный ток

Он отражает величину нагрузки, потребляемой из сети. Также его значение используют для определения потребляемой мощности, подбора управляющей платы и защитной аппаратуры.

Угол полного шага

Этот параметр показывает нам, на сколько градусов за один шаг поворачивается вал. Зная его величину, можно определить количество ходов, совершаемых степ-мотором за один полный оборот. Для этого нужно 360° разделить на угол полного шага. Например, 360°/1,8° = 200 шагов/оборот.

Момент инерции ротора

Этот показатель характеризует время, за которое разгоняется электромотор. На величину инерции основное влияние оказывает масса ротора.

Габаритные размеры

Этот параметр не менее важен при выборе электрической машины. Длина, высота и ширина корпуса могут стать серьёзным препятствием при размещении степ-мотора. Также не менее важными показателями являются длина и диаметр вала.

Принцип работы

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

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

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

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

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

Что собой представляет шаговый двигатель?

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

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

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

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

Типы и конструктивные особенности

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

Отличия в конструкции ротора

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

Каждый из представленных типов двигателей используется в разных областях машиностроения.

Отличия в типе обмоток

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

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

Варианты шаговых двигателей:

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

Отличия в типе управления

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

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

Виды и конструкция

Чаще всего ШД различаются:

Также электрическая машина может иметь другие дополнительные элементы или конструктивные особенности.

Конструктивное исполнение

По конструктивному исполнению ШД делятся на:

Шаговые электродвигатели с ротором из постоянного магнита

Они имеют надёжную, конструктивно простую, а также дешёвую в изготовлении классическую конструкцию. Катушки, создающие электромагнитное поле, размещены в статоре. Подвижная часть устройства состоит из стального вала, а также размещённого на нём постоянного магнита. Если магнитов на валу размещается несколько, то их располагают так, чтобы магнитные полюса чередовались — север, юг, север, юг и так далее.

При подаче электропитания на один из полюсов в нём возникает электромагнитное поле. Оно притягивает ближайший полюс постоянного магнита. Под действием магнитных сил полюса сближаются, создавая вращение. Это действие приводит к совершению одного шага.

При подаче питания на следующий полюс происходит то же самое, а движение повторяется. Вал проворачивает ещё раз. Чаще всего количество ходов, затрачиваемых на совершение одного оборота, определяется количеством установленных в статоре катушек.

Устройство классического степ-мотора

Шаговые электродвигатели с ротором из магнитомягкого материала

В этих электрических машинах якорь выполнен из электротехнической стали. На его поверхности имеются специальные выступы (зубья). Такие же зубья присутствуют на полюсах электромагнитных обмоток статора. Зубья на поверхности ротора расположены таким образом, чтобы при вращении, они совпадали только с зубьями двух противоположных друг другу электромагнитных полюсов.

При подаче электрического питания на противолежащие полюса они создают электромагнитное поле, которое замыкающееся через металл якоря.

Сила, возникающая при этом, приводит его в движение, сокращая расстояние между зубьями якоря и активного полюса.

За счет зубчатой формы, магнитное поле на выступах концентрируется сильнее. Эта особенность и позволяет подтягивать зубцы друг к другу.

Чем больше число зубьев размещено на поверхности – тем больше ходов нужно сделать для совершения полного оборота. Также количество зубьев определяет минимальный угол поворота ротора.

К недостаткам подобной конструкции относится отсутствие тормозящего усилия. То есть при полном отключении электропитания движение не прекратится сразу. Оно будет замедляться, а время выбега будет зависеть от сил трения и величины инерции.

Устройство мотора с ротором из магнитомягкого материала

Гибридные электродвигатели

Гибридные степ-моторы – усовершенствованная версия ранее описанных конструкций. Эти электрические машины имеют якорь из магнитомягкого материала разделённый на две секции. На его поверхности имеются зубья, а внутрь встроен постоянный магнит.

Наличие постоянного магнита позволяет создать тормозящее усилие, а также улучшить соотношение статического и динамического моментов машины. За счёт наличия двойного ряда зубьев, выполненных со смещением, друг относительно друга, гибридные машины могут совершать ходов больше,е за один оборот.

В остальном существенных различий электромотор не имеет, а принцип его работы практически аналогичен машинам с магнитомягким якорем.

Общий вид гибридного электромотора

Виды степ-моторов

Электромоторы делятся по числу используемых выводов, а также схеме соединения. Количество отходящих проводов может составлять: четыре, пять, шесть или восемь. В зависимости от способа присоединения выводов получают биполярную или униполярную схему.

Биполярная схема питания предполагает, что электропитание на мотор подаётся всего по четырём проводам. Такое соединение по уже умолчанию реализовано у тех моторов, в которых имеется всего четыре питающих вывода. В их конструкции предусмотрено всего две рабочие обмотки. Если от степ-мотора отходят питающие выводы в количестве пять, шесть или восемь, то биполярное соединение в них получают искусственно, путём объединения выводов в определённой последовательности.

Униполярную схему получают только в машинах, имеющих пять, шесть или восемь питающих выводов. Для получения униполярного соединения, помимо начала и конца, у обмоток используется ещё их средняя точка. В пяти, а также шестипроводных электромоторах она уже организована. В восьмипроводных — эту точку получают искусственно, путём определённого присоединения полуобмоток.

Виды соединения обмоток в многопроводных электродвигателях

Однополярная и биполярная схемы, использующие полуобмотки, не дают большого крутящего усилия на низких оборотах. Это связано с тем, что в них используется меньше витков проволоки. Однако из-за низкой индуктивности им хорошо удаётся удерживать крутящее усилие при высоких скоростях движения.

Биполярное соединение использует катушку полностью, поэтому оно создает очень хорошее крутящее усилие на низких оборотах. Однако это усилие быстро падает при ускорении. Причина этому — высокая собственная индуктивность.

Биполярная схема с параллельным включением полуобмоток использует возможности электромагнитных катушек полную. Она обеспечивает хорошие характеристики на низких скоростях. Также она создаёт низкую индуктивность, что позволяет поддерживать высокий крутящий момент на больших скоростях. Однако параллельное включение полуобмоток в биполярной схеме имеет важное преимущество. У неё на 40% большая мощность, а также потребление.

Зависимость крутящего момента от скорости при различных видах соединения

Как видно из механической характеристики, биполярное соединение предпочтительнее в случаях, когда требуется силовое действие привода. Униполярное соединение эффективно при выполнении скоростных операций.

Режимы работы

В зависимости от требуемой от степ-мотора точности выделяют следующие режимы:

Полношаговый режим наиболее часто используется. Его преимуществом является простота реализации. При этом выделяют два вида полношаговых режима: однофазный и двухфазный.

При однофазном режиме управляющий сигнал подаётся только на одну катушку. Для совершения поворота снимается электропитание с текущей катушки и подаётся на следующую.

В двухфазном режиме питание на полюса статора подаётся попарно. При этом полюс якоря занимает промежуточное положение.

В обоих случаях вал проворачивается на одинаковый угол (один шаг или ход). Однако в двухфазном режиме результирующая сила электромагнитного поля будет выше в 1,41 раза, а соответственно, и действующее на якорь крутящее усилие.

Демонстрация работы степ-мотора в полношаговом режиме: однофазном (слева) и двухфазном (справа)

Полушаговый режим сочетает в себе оба ранее описанных варианта управления. При его использовании вначале подаётся электропитание на катушку «А», затем на «А» и «В», потом только на «В» и так далее. При таком управлении якорь электромотора поворачивается на полушаг. Это увеличивает точность движения механизма в два раза. Уменьшение угла поворота ведёт к снижению вибрации, а также уменьшению резонансной частоты.

Принцип работы ШД в полушаговом режиме

Микрошаговый режим применяется реже, так как для его реализации требуется специальный драйвер. Он позволяет значительно уменьшить угол поворота.

Принцип его действия схож с полушаговым режимом. В нём также используется сразу две смежные обмотки. Для получения большего количества промежуточных микрошагов на них подаются различные комбинации уровней напряжения. Это позволяет установить вал в большее число промежуточных положений. Максимально возможное число положений, ограничивается только характеристиками применяемого в схеме драйвера.

Диаграмма электропитания степ-мотора и положение его якоря при создании промежуточных микрошагов

Управление степ-мотором

Управляющий сигнал, посылаемый на степ-мотор, может иметь синусоидальную или импульсную форму. В дополнение к этому, импульсные сигналы могут быть биполярными, имитирующими синусоиду, а также униполярными — не снижающими свой потенциал ниже нуля.

Синусоидальная форма сигналов применяются в аналоговых схемах. Для её формирования используется уже готовый синусоидальный сигнал из электрической сети.

Такая особенность позволяет значительно упростить электрическую схему. Однако для согласования действия смежных катушек требуется сложная и тонкая настройка.

Сейчас, в связи с повсеместным применением цифровой техники, для управления степ-моторами аналоговые сигналы практически не применяются.

Импульсные управляющие сигналы, в контроле над ШМ, применяются повсеместно. Это связано с популярностью цифровой техники, а также доступности и разнообразию современных цифровых контроллеров. Для генерации импульсов используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Использование цифровых сигналов позволяет не только пошагово управлять степ-мотором, но также задавать ему сложную программу действий. Например, управлять временем вращения, длительностью простоя, а также скоростью переключения шага.

Формы управляющих сигналов

Преимущества и недостатки

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

К положительным сторонам механизма можно отнести:

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

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

Применения драйвера для управления шаговым двигателем

Драйвер позволяет дать управление механизмом с учетом текущей ситуации.

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

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

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

Аналоговые

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

Цифровые

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

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

С энкодером

Управляя системой с помощью драйвера с энкодером, вы можете:

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

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

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

Управление шаговым двигателем

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

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

По наличию контроллера все шаровые двигатели делятся на:

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

Главное преимущество — это их точность. ШД может быть быстро запущен, а также быстро остановлен. Для выполнения этих действий требуется минимальное время. Ш Д обладает высокой надёжностью, а также стабильной работой при высоких нагрузках.

Он не нуждается в датчиках или других элементах, обеспечивающих обратную связь. Его позиционирование полностью определяется поступающими от контроллера импульсами.

Большой рабочих диапазон скоростей позволяет задействовать в самых разных механизмах или обеспечить многоскоростную работу.

Доступная цена, простота в установке, настройке, а также использовании.

Как и любой электромотор, ШД состоит из статора, а также якоря (ротора). Обмотки (катушки), индуцирующие электромагнитное (ЭМ) поле, размещены в статоре, в специальных пазах. Ротор электрической машины представляет из себя стальной стержень, на который установлен один или несколько постоянных магнитов. Также существуют конструкции без магнитов. Их конструкция выполнена из магнитомягкого материала — электротехнической стали.

Когда на одну из обмоток мотора подаётся электрическая энергия, она начинает генерировать постоянное электромагнитное поле. Имитирующее поле постоянного магнита. Поэтому катушки в статоре также называют полюсами. Из-за действия магнитных сил магнит притягивается к обмотке. Это заставляет поворачивается электрическую машину на соответствующий угол. При вращении, полюса ротора и статора приближаются друг к другу, после чего перемещение прекращается. Это движение называется шагом.

При подаче тока на следующую катушку статора вал вновь поворачивается и вновь останавливается. Так совершается ещё один шаг. Число импульсов, поданных на обмотки, определяет количество совершенных ходов. От того с какой частотой подаются импульсы, зависит интенсивность вращения мотора. Количество ходов, совершаемых за один полный оборот вала, отражает плавность движения. Чем их больше — тем оно плавнее.

Отличие степ-моторов от сервоприводов

В отличие от сервопривода шаговые или степ-моторы поворачиваются только на фиксированный угол — шаг. Это обеспечивает высокую точность совершаемых движений. У сервоприводов угол свободного поворота обычно ограничен диапазоном в 180° или 360°. У шаговых двигателей (ШД) такое ограничение отсутствует. Их конструкция позволяет им вращаться в любом направлении неограниченно долго. Однако управлять этими устройствами несколько сложнее, чем это реализовано у сервоприводов. Для них нужно использовать специальное устройство — драйвер или управляющую плату.

В статье «Управление движением: всё что нужно знать о сервоприводах» вы более подробно узнаете о видах, устройстве, а также выборе сервоприводов.

Область применения

Степ-моторы очень широко распространены. Их применяют во множестве устройств там, где требуется точное позиционирование, а также контроль интенсивности вращения. Вот пример таких областей, где их наиболее часто используют:

Здесь приведена только небольшая часть тех областей, где используют ШД. На самом деле их применяют повсеместно, во множестве устройств и автоматических систем.

Подключение шагового двигателя

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

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

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

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

Сфера применения шаговых двигателей

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

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