Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Общие сведения:

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

• Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
• Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
• Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

• Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
• Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
• 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим — ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
• Полушаговый режим — ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
• Микрошаговый режим — ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления — доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

• Биполярный двигатель можно подключить только к драйверу биполярных двигателей.
• 6-выводной двигатель можно подключить к любому драйверу. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток внутри двигателя, последовательно или параллельно.
• Униполярный двигатель, при необходимости, можно подключить и к драйверу биполярного двигателя по простой схеме из нескольких диодов (лучше использовать диоды Шоттки), но такое подключение гарантирует корректность работы униполярного двигателя только в полношаговом режиме.

Шаговый Двигатель Схема Подключения

Формирование импульсов отводится микроконтроллерам например Arduino.

В одном 8 выводном корпусе SOIC-8 размещены 2 транзистора.

Путь для повышения магнитного поля — это увеличение тока или числа витков обмоток.
Управление биполярным шаговым двигателем

Двигатели с 4 обмотками имеют преимущество в том, что вы можете подключить обмотки любым удобным для вас образом и получить как биполярный, так и униполярный двигатель.

Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Полушаговое управление интересно тем, что становится возможным более точное позиционирование вала двигателя, благодаря к тому, что к целым шагам добавляются еще и половинки это достигается совмещение предыдущих двух режимов работы, а обмотки чередуются, то включаясь попарно, то по одной.

У его намагниченного центрального вала имеется два набора зубов для двух магнитных полюсов, которые затем выстраиваются в линию с зубами вдоль электромагнитов. Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки на Рисунке 10 они не показаны.

Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя.

Зависимость момента от скорости, влияние нагрузки Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от нескольких факторов: скорости. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки.

Управление шаговым двигателем

Сморите видео

Несмотря на то, что драйвер, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюс редуктор. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полная схема, приведенная в [ 10 ] и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. С помощью подстроечного резистора видно на правом фото можно задавать выходной ток.

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах Рисунок

Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которые можно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальных контроллеров.

Увеличение или уменьшение питающего напряжения ни к чему не приведет, так как обороты задаются частотой сети. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.

Соответственно, в режиме удержания поскольку используются 8 разрядов ЦАП , максимальный ток составит 1 А. При этом используется номинальное число шагов.

Синусоидальный ток фаз может быть обеспечен применением специальных драйверов.

Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей.
Шаговый двигатель БЕЗ ДРАЙВЕРА!

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия. Для устранения колебаний момента при работе двигателя в полушаговом режиме можно снижать ток в те моменты, когда включены две фазы.

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

Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя без реверса. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания. Из-за этих ограничений микрошаговый режим используется в основном для обеспечения плавного вращения особенно на очень низких скоростях , для устранения шума и явления резонанса.

Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток. Обычно у них четыре вывода, две обмотки.

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол-шага. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов рис.

Назначение этих диодов — гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Да и в современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигатели распространены достаточно сильно.

Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы.

Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. Драйверы делятся на две категории: Повторяющие форму сигналов. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала RDC ON MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше.
Шаговый двигатель. Micro Step Driver. PLC Omron. Подключение,программирование. (Часть 1)

Технические характеристики A4988

Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.

Поддержка такого режима для указанного драйвера осуществляется микропроцессором, управляющим входами ЦАП. Таким образом, выполняется один шаг.

Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки. Режим управления двигателем задается коммутатором. Шаговые двигатели.

Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.

А принцип работы этого всего очень прост: конденсатор формирует сдвиг фаз на одной из обмоток, в результате обмотки работают почти попеременно и шаговый двигатель крутится. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление — соответственно вдвое меньше. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

Общие сведения:

Микрошаговый режим. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Диаграммы, диаграммы

В пределе, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Схема контроллера униполярного шагового двигателя с драйвером на биполярных транзисторах. Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper. Гибридный двигатель.
Обзор копеечной платы управления шаговым двигателем.