Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.
Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.
В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.
К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:
К недостаткам применения шагового двигателя относятся:
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.
Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.
Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.
Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.
С переменным магнитным сопротивлениемВесомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.
В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.
С постоянным магнитомБыл разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.
Устройство гибридного шагового двигателя
Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.
Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:
Расположение пазов гибридникаИз-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.
Рис. 6. Принцип работы гибридного ШДЗа счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.
Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.
На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.
Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.
Униполярный ШДДля использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.
Схема а) с различными, б) с одним выводомБиполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.
Биполярный шаговый двигательВ конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.
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.
В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.
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 двигателейПри условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:
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.
Волновое управлениеПолношаговый — 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.
Полношаговое управлениеПолушаговый – 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.
Полушаговое управлениеДля 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.
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.
Схема Н-мостаКак 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.
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.
Подключение через контроллер однополярного шагового двигателяЯвляется 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.
Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).
Схема простейшего драйвераДля построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.
На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.
За какое-то время у меня скопилось много шаговых двигателей, но все не было времени ими заняться, а ведь шаговый двигатель вещь довольно интересная и полезная. Но у многих радиолюбителей возникают проблемы с запуском таких двигателей, вот я и решил собрать контроллер для проверки наиболее часто распространённых шаговых двигателей.
Шаговые двигатели достаточно распространены в устройствах, в которых необходимо добиться точного перемещения механизмов. Существует очень много типов шаговых двигателей, но самыми простыми в плане управления являются 2-х фазные униполярные двигатели. Этот тип двигателей имеет две независимые обмотки с выводами от середины (см. Рис.1). Их устанавливают в такие аппараты, как принтер, копир, дисковод и т.д.
На рисунке 2 представлена схема управления шаговым двигателем.
Сперва хотел разработать схему на жесткой логике, но когда определился с функциями, которые она должна выполнять, пришло твердое решение использовать для этих целей микроконтроллер. И так, что можно определить с помощью данного блока управления.
Программа управления состоит из пяти подпрограмм, которые переключаются кнопкой BS3 – «Выбор программ». Номер выбранной подпрограммы отображается тремя светодиодами в двоичной системе счисления. При первом включении должен загореться светодиод HL1, индицирующий о том, что включена первая подпрограмма работы шагового двигателя в полушаговом режиме. Запуск двигателя осуществляется кнопками «Право» и «Лево». Право – двигатель должен крутиться по часовой стрелке, лево – против часовой, но направление вращения зависит еще и от того, как вы скоммутируете обмотки двигателя.
Возможно, придется экспериментировать. На скриншоте 1 (передняя панель виртуального осциллографа программы Proteus) можно наблюдать импульсную последовательность и коды полушагов работы двигателя. Некоторые из шаговиков по этому алгоритму у меня не работали.
Подпрограмма №2 – светится второй светодиод. В этой подпрограмме двигатель будет работать по полно шаговому алгоритму, показанному на скрине 2.
Подпрограмма №3 – светятся первый и второй светодиоды. В этой подпрограмме двигатель будет работать по полношаговому алгоритму, показанному на скрине 3.
Подпрограмма №4 – светится третий светодиод. Данная подпрограмма обеспечивает один шаг двигателя при каждом нажатии на кнопку «Право». Кнопка «Лево» в данном случае не задействована. Короче говоря, нажимая каждый раз на кнопку, можно сосчитать количество шагов за один оборот проверяемого двигателя. Алгоритм работы двигателя в данной подпрограмме соответствует алгоритму на скрине 2.
Подпрограмма №5 – светятся первый и третий светодиоды. В этой подпрограмме творится тоже самое, только алгоритм работы двигателя в данной подпрограмме соответствует алгоритму на скрине 3.
Общий вид платы — на фото.
Файл прошивки, схему и рисунок печатной платы можно скачать по ссылке ниже.
Скачать файлы
Скачано: 1067, размер: 23.1 KB, дата: 10.Ноя.2018
Купить USB программатор PIC K150 ICSP
31 августа 2021 г. Том Нарди
3D-сканерынедешевы, и последнее, что вы хотите увидеть после покупки, — это неверные данные. Но это то, что [Дэйв Делает] и другие получали от своих сканеров Revopoint POP, пока какой-то коллективный мозговой штурм не выявил причину: моторизованный проигрыватель, который поставлялся с версией продукта Kickstarter, вращался слишком быстро, чтобы программное обеспечение могло точно отслеживать объект. . Поэтому он решил заменить контроллер шагового двигателя в своем проигрывателе и задокументировать процесс для всех, у кого сканер может испытывать трудности.
В видео ниже [Дэйв] открывает пластиковый корпус проигрывателя и открывает довольно скудное внутреннее пространство. Внутри есть невероятное количество пустого пространства и даже несколько монтажных шпилек для крепления новых компонентов, если вы хотите получить какие-то хардкорные обновления. Но для его целей было достаточно стандартного контроллера шагового двигателя с потенциометром для регулировки скорости. Он нашел подходящую плату в Интернете примерно за 5 долларов США и приступил к разработке 3D-печатного кронштейна, который стыкуется с существующими отверстиями для винтов на проигрывателе.
Но это не совсем замена. Во-первых, вам нужно сделать отверстие в боковой части корпуса, чтобы ручка потенциометра торчала из него. Вы также должны припаять провода, идущие от оригинального разъема постоянного тока и выключателя питания, к новой плате, чтобы подключить ее, но, по крайней мере, двигатель подключается прямо. В видео ниже вы можете увидеть, как [Дэйв] демонстрирует впечатляющую возможность глубокого дросселя нового водителя.
Если вы предпочитаете собирать, а не покупать, в прошлом мы рассмотрели несколько впечатляющих самодельных проигрывателей, которые могут прекрасно соответствовать всем требованиям, от автоматических моделей, управляющих камерой, до полностью напечатанных на 3D-принтере версий, которые вам нужно запустить самостоятельно.
Продолжить чтение «Улучшение 3D-сканирования с помощью замедленного поворотного стола» →
Posted in Взломы цифровых камер, Взломы инструментовTagged 3D-сканер, 3D-сканирование, контроллер шагового двигателя, поворотный стол9 апреля 2021 г. Крис Лотт
Если вы хотите получить простое и легкое представление о шаговых двигателях, посмотрите короткое видео [Парня из IMSAI], в котором он проектирует очень простой контроллер шагового двигателя, а также предлагает множество быстрых уроков. (Встроено ниже.)
Сначала он рассказывает об основах шагового двигателя в практическом практическом подходе, а также показывает нам, как прозвонить соединения, если распиновка неизвестна. Затем он демонстрирует управление двигателем вручную, а затем создает простую схему драйвера на полевых транзисторах. Как раз в тот момент, когда вы ожидаете появления небольшого микроконтроллера, [парень из IMSAI] вместо этого копается глубоко в своем мусорном ящике и объясняет, как управлять двигателем с помощью 22V10 GAL (электрически стираемый PAL) и модуля таймера 555. Основываясь на четко объясненной логической таблице для управления катушками, скрытом способе введения карт Карно, он приступает к написанию выходных уравнений в WinCUPL.
Зрелые читатели помнят персонажа «Happy PAL».WinCUPL — это современная версия CUPL (компилятор универсальной программируемой логики), изначально написанная компанией Assisted Technology, ныне принадлежащей Altium. CUPL и его аналоги, такие как PALASM от Monolithic Memories, Inc. (MMI) и ABEL от Data I/O Corporation, были базовыми языками описания оборудования, специально разработанными для PAL, GAL и CPLD. PAL представляли собой небольшие массивы логических вентилей с плавкими соединениями, и ваша конструкция «вжигалась» в плавкие предохранители так же, как (EE)PROM.
Увы, он вырезает часть, где компилируется исходный код и программируется 22V10, и сразу переходит к тестированию схемы на макетной плате. Спойлер — это работает. Приблизившись и прищурившись, он указывает на изящный макетный модуль таймера 555, который называется TP353, и его вы можете найти у своего любимого онлайн-поставщика.
В этом уроке есть чему поучиться, и [Мастер IMSAI] отлично справляется с тем, чтобы сделать предмет доступным для любителей и новичков. Пару недель назад мы также рассмотрели еще одно его руководство по датчикам изображения. Спасибо [itsevilbert] за подсказку.
Продолжить чтение «Шаговые двигатели быстро и просто» →
Posted in How-toTagged 555, CUPL, GAL, приятель, шаговый двигатель, контроллер шагового двигателя14 июля 2014 г. Рич Бремер
Шаговые двигатели отлично подходят для множества проектов; Например, станки с ЧПУ, часы или роботы. Иногда при работе над проектом, который включает в себя шаговый двигатель и драйвер, было бы неплохо протестировать эту часть сборки, не подключая все подряд. Для выполнения такой задачи можно использовать генератор импульсов, и [CuteMinds] создала удобную для самостоятельной работы версию, специально предназначенную для шаговых двигателей. Это устройство позволяет быстро и легко протестировать шаговые двигатели.
В основе генератора импульсов лежит микросхема 12F675 , которая смотрит на значение сопротивления потенциометра, чтобы регулировать выходной прямоугольный ступенчатый сигнал от 20 Гц до 3 кГц. Просто иметь шаговый сигнал было бы круто, но этот проект идет немного дальше. На плате есть 3 набора разъемов, которые позволяют подключать перемычку или переключатель, чтобы: 1) включить питание, 2) включить драйвер шагового двигателя и 3) выбрать направление вращения двигателя. Встроенные аккумуляторы делают это устройство портативным для удаленного использования.
Если вам не терпится сделать такой для себя, файлы схемы и платы Eagle доступны для загрузки по ссылке выше.
Posted in cnc hacksTagged генератор импульсов, шаговый двигатель, контроллер шагового двигателя11 июля 2011 г., Майк Щис
[TBJ] строит то, что он называет 3D-принтером из мусорной коробки. Вы, наверное, догадались, что он пытается спасти большую часть деталей для устройства, и после того, как он вытащил шаговый двигатель из старого принтера, ему понадобился способ управления им. Он придумал драйвер шагового двигателя, в котором используются дискретные компоненты, которые легко приобрести и которые недороги. Конструкция требует двух входов, один из которых переключает направление вращения двигателя, а другой запускает один шаг двигателя. Двойной триггер CD4013 обеспечивает оба этих входа в одном корпусе микросхемы.
Двигатель приводится в действие парой H-мостов, которые он построил из шести транзисторов в каждом. Хитрость шагового двигателя заключается в том, что вам нужно привести четыре полюса двигателя к определенному логическому уровню в определенное время. Для этого [TBJ] использует декадный счетчик CD4017. Сеть диодов заземляет половину выходных линий на основе триггера, который управляет направлением. Наш друг, таймер 555, обеспечивает часы для схемы, благодаря чему все движется с заданной скоростью. Посмотрите видео после перерыва для объяснения и демонстрации.
Продолжить чтение «Создание драйвера шагового двигателя» →
Posted in cnc hacksTagged 3d принтер, 555, cd4013, cd4015, шаговый двигатель, контроллер шагового двигателя
|