Чем крутить шаговый двигатель

• 1 Описание
• 2 Использование
  • 2.1 Датчик поворота
• 3 Преимущества и недостатки
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература
• 7 Ссылки

Первые шаговые двигатели появились в 1830-х годах и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение [1] .

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя [2] :

• с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
• реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
• гибридный.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6-градусных двигателей и 8 основных полюсов для 1,8—0,9-градусных двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть — между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

1. Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
2. В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют одновременно два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Потом первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.

Электрический синхронный мотор

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.

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.

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.

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.

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!

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.

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.

Управление шаговым двигателем с помощью Arduino

В этом посте я постараюсь вкратце рассказать про шаговые электродвигатели, и как с ними можно работать с помощью нашего любимого ардуино.

Многие из вас знакомы с маленькими моторчиками, из которых исходят всего 2 провода, они часто встречаются в детских игрушках, например, в машинках.

Это коллекторные электродвигатели постоянного тока. Они могут напрямую подключатся к источнику питания и будут всегда вращаться с постоянной скоростью, в зависимости от подаваемого напряжения. Если необходимо изменить направление вращения, то на нашем моторе нужно просто поменять местами «+» и «-» и он сразу начнёт крутиться в другую сторону. За счёт их простой конструкции, они имеют небольшую стоимость и простоту в управлении.

Но есть ещё один из распространенных типов двигателей — это шаговые электродвигатели.

Вы могли их встречать, если разбирали CD-DVD привода, жёсткие диски, принтеры или другие электронные устройства, в механической части которых нужно чётко контролировать обороты, перемещения или другие необходимые кинематические движения.

Вот так выглядит шаговый электродвигатель с винтовым валом из оптического привода:

Как видно — здесь уже больше, чем 2 провода и напрямую подключить такой мотор к источнику питания просто так не получиться из-за совсем другой конструкции самого двигателя. Если для нашего первого моторчика достаточно было подать «+» и «-» на соответственные клемы и он начинал вращаться, то для шагового электродвигателя нужно подавать цифровые электронные сигналы управления, которые будут сообщать двигателю на сколько и в какую сторону ему необходимо вращаться. Это возможно осуществить с помощью устройства, которое будет генерировать и отправлять эти сигналы на драйвер, а он, в свою очередь, напрямую управлять обмотками двигателя.

Мы рассмотрим пример, как подключить шаговый электродвигатель к Arduino Mega 2560 — именно оно и будет тем устройством, которое генерирует нужные электронные сигналы управления.

Я взял мотор формата Nema 17 — это гибридный шаговый двигатель, который часто встречается в 3Д принтерах, ЧПУ системах, робототехнике и т.д.

Фото двигателя в разрезе:

Драйвер на микросхеме TB6600 — это довольно неплохой контроллер, который можно использовать с двигателями до 4.5 А, 50 В. Для домашних 3Д принтеров и ЧПУ систем его полностью достаточно.

Чтобы драйвер работал, необходим внешний источник питания с напряжением 8-50 В (рекомендуется 36 В). Именно с него наш двигатель будет получать энергию для своей работы. А логические сигналы Dir — направление вращения и Pulse — сигнал шага, драйвер будет получать от ардуино.

У данного двигателя 4 обмотки: A+, A-, B+, B-, их нужно соединить с соответствующими выходами на плате драйвера.

Для управления шаговым двигателем можно использовать различные библиотеки, которые упрощают жизнь, если необходимо как-то динамически управлять двигателем, например «AccelStepper» и тому подобные. Также есть различные программные комплексы для управления 3Д принтерами или ЧПУ станками.

Мы же рассмотрим простой пример вращения двигателя с постоянной скоростью, который не сложно будет повторить всем желающим. Также, так ещё удобно проверять общее состояние двигателя.

Здесь написан цикл, который беспрерывно будет отправлять логические сигналы к нашему драйверу, а он уже на двигатель.

Примерно так всё работает:

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Дубликаты не найдены

Arduino & Pi

1K постов 17.9K подписчиков

Правила сообщества

В нашем сообществе запрещается:

• Добавлять посты не относящиеся к тематике сообщества, либо не несущие какой-либо полезной нагрузки (флуд)

• Задавать очевидные вопросы в виде постов, не воспользовавшись перед этим поиском

• Выкладывать код прямо в посте — используйте для этого сервисы ideone.com, gist.github.com или схожие ресурсы (pastebin запрещен)

• Рассуждать на темы политики

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Почему хотя бы не рассказать об отличиях униполярного от биполярного двигателя? Почему не привести схему модуля(хотя бы из даташита на микросхему)?
Ладно упущен режим микрошага, но основу то можно было скопипастить написать.
Зачем было использовать ардуину? Много нагляднее было бы пару кнопок повесить.

Спасибо за совет, в будущем буду стараться поместить всё в один пост.

Зачем было использовать ардуину? Много нагляднее было бы пару кнопок повесить.

Не совсем понял вопрос

Просто хотелось показать пример именно с ардуино, ведь с ним можно открыть больше возможностей, чем просто «отправлять шаг».

Точно, две обмотки А и Б, соответственно + и — на каждой обмотке.

Спасибо, что нашёл ошибку, она как-то автоматически получилась — вижу четыре буквы на плате — пишу, что четыре обмотки)

Если бы копипастил, то думаю, что не сделал такую глупую ошибку, с головы старался писать.

Автор показывает, как быстро и равномерно крутится шаговый двигатель. Ясно. Понятно. Тема раскрыта на 10 из 10.

Ребят, вижу тут есть знающие люди.
Собираю фотопиццу (мало ли кто знаком), не крутит шаговый двигатель, бывает после танцев с бубном крутит, но очень странно (не по программе).

Драйвер шагового двигателя менял — не помогло

В чем может быть проблема?

а будет электрическая схема? =) мотор гудит когда не крутится?

Нет, он может включаться раза с 5-6, тогда и гудит и крутит (херово но крутит), как будто где-то плохой контакт, хотя менял провода, прозванивал — все в порядке.
По этой схеме делал, только у меня шиелд а тут просто экран.

@BesttseB, проверь код, а именно повнимательнее, где задается частота импульсов. Возможно слишком большая частота импульсов, движок просто ахреневает. Попробуй отдельно протетстить шаговик+МК+твой код, без обвеса. У меня было, что движок сначала разгонялся, потом из-за большой частоты стопорился и когда уменьшалась, то он снова продолжал крутиться.

а обязательно покупать эту здоровую мандулу? DRV8825 прекрасно справляется с шаговиками до NEMA17 включительно и стоит в несколько раз дешевле + под них на ардуины есть такиеже дешманские шилды — например ардуино 2560 + шилд + 5 драйверов = 1050рублей на али

4988 не то, чтобы хуже, но в DRV8825 можно микрошаг поменьше поставить(актуально для станков с ременнойзубчатой передачей и 3D принтеров) и, как мне кажется, на DRV8825 шаговики звучат благороднее =)

Не конечно, для каждой цели целесообразен тот или иной драйвер. Просто у меня был в наличии только этого формата (остался после ЧПУ системы: https://youtu.be/N3xBpIMORf4 )

а можно статью про то, как с компа управлять этим всем. желательно с кодом.

т.е., допустим, мне надо,чтобы после нажатия кнопки на компе, двигатель совершал серию поворотов. как это программируется?

Serial гугли. С компа посылаешь строку на ардуину, она разбирает её и выполняет команду по аргументам.

а с компа в зависимости от языка просто посылаешь в серийный порт строку.

Аргументы придумать не сложно.

Можно заморочиться с wi-fi или ethernet shield, там поднять веб-сервер и из браузера делать запросы. Например, NodeMCU умеет из коробки это, т.к. на ней встроен в-ф

такое ощущение, что автор и рад бы нам рассказать о шаговиках, но не разбирается в теме абсолютно. вешать NEMA17 на такой монструозный драйвер? перепутать количество обмоток? использовать такой дикий метод управления?

хотя бы схему шаговика в пэинте нарисовали, авось сами разобрались бы, как он работает.

Похоже, этим драйвером мотор от сидюка не запустишь — напряжение слишком высокое. У мотора +5в, а питание драйвера от 8 в начинается.

Вот расскажите мне как вы к этим двигателям приделываете достойно какую нибудь звездочку или сверлышко?

. ну т.е. у меня на одном таком движке было по маркировке до 38V и 3А максимальная подача (оптимальное 12V & 1.5A), где то около 30V&3A подавал. Как бы я не крепил это сверло, болтами, суперклеем, и тем и тем, эпоксидкой также вместе взятой и т.д. и т.п. в т.ч. и резал/сверлил это чертову маленькую ось, чтоб хоть как в неё вцепиться (по сути надо было его в таком режиме использовать весьма недолго, так что должно было быть норм), всё срывало! . если застревало хоть в мало-мальски не протачиваемом проёме, т.к. крутилось бешено, то даже небольшое торможение со временем всё равно давало срыв и приходилось монтажить заново. Да конечно я и искал напряжение оптимальное, но это либо получалось дико долгое сверление, которое добивало, либо срывало.

Вот как вы за такую ось цепляетесь нормально? . такая ж мелкая сволочь.

..Эпоксидка блин, ну ты даёшь)

ааа оказывается это цангой называется) а я её получается самодельную делал из болтов, еще и моментов поверх заливал, тоже срывало (

И да еще когда звездочку надевал, то хотелось бы чтоб при сильной нагрузке она бы просто становилась вместе с осью и тянуло бы, и можно было бы в зависимости от того на сколько ей тяжело тянуть, то увеличивать нагрузку тока, то уменьшать, а так получается ты ей увеличиваешь нагрузку и эта ось еще и нафиг просверливает в твоей звездочке еще большую дырень, также из-за того само греется от дикого трения тоже. И там вообще мне ничего не помогало. Оставался только один вариант — согнуть её, но побоялся ибо эта хрень во первых маленькая, тут еще умудриться надо, а потом еще не факт что к согнутой удастся правильно примонтажить то, что нужно так, чтобы оно крутилось не со смещенным центром.

Короче сейчас уже прикупил двигатели то с нормальными осями, прям выплавленные стальные звездочки уже там. Но вопрос меня мучить не перестал, ибо таких движков на рынке ну просто валом, а тот нормальный я еле достал, а где и как нормально использовать бы можно было те движки я так и не понимаю, только разве что для игрушек?) ну или просто чтоб лишь бы прихватить.

Есть ещё один вариант — запрессовка шестерней.

Держит намертво, промышленный стандарт

Вот тут можно увидеть пример, показывают два стандарта установки шестерней на вал —

2)посадочное место (щлиц на валу)

Ну вот посадочное место само то, его мне по сути только и оставалось сделать, только надо будет, если начну опять такое делать, не напильником, а молотком квадратик с оси набить и потом уже болтами хвататься.

Но это хорошо, когда еще ось хоть как то нормально торчит, а есть у меня еще одно, даже для меня, исключение (вот там прям с кулак моторчики были) мелочь 2,5-3 см с осью на 1,2 в диаметре убийца до 50 вольт можно подрубать — это жесть! Я на обычные по 20 вольт выставляю и потом руки трясутся после них (ну бывает в руках держишь тестируешь, что будет если зажать шестеренку или еще что или тупо смотришь на его работу, зависнешь или любуешься или и то и то:D). А на того зверя дал 50 вольт, да у меня чуть зубы не повыпадали! 😀

(нет ебом меня не токнуло), но эта хрень в руках тряслась так, что я думал второй адронный коллайдер запустил только что и сейчас он у меня в руке образует черную дыру, и трёх секунд он не дал мне его удержать (да я его даже отключить не успел), выпрыгнул из руки оторвал контакты и с помощью своего гироскопического эффекта весьма точно впился в пол, так еще и остатками момента кручения сделал в нем небольшую дырку.

Сказать, что я офигел, это ничего не сказать. После такого я положил его подальше и решил использовать только в реально экстренных случаях)

Объяснение программы для платы Arduino

Перед тем как начать писать программу для платы Arduino давайте разберемся что должно происходить внутри этой программы. Как мы уже говорили ранее, мы будем использовать метод 4-шаговой последовательности, то есть нам нужно будет сделать 4 шага чтобы выполнить один полный оборот двигателя.

На драйвере мотора есть 4 светодиода, по свечению которых можно судить о том, на какую катушку подается питание в конкретный момент. Более подробно все эти процессы можно посмотреть в видео, приведенном в конце статьи.

Мы напишем программу, в которой необходимое количество шагов для двигателя мы будем вводить в мониторе последовательного порта (serial monitor) платы Arduino. Полный текст программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим наиболее важные его фрагменты.

Как мы рассчитали ранее, полное число шагов для полного оборота нашего шагового двигателя, равно 32, пропишем это в следующей строчке кода:

#define STEPS 32

Далее мы должны сказать плате Arduino через какие ее контакты мы будем управлять шаговым двигателем (то есть к каким ее контактам подключен драйвер мотора).

Stepper stepper (STEPS, 8, 10, 9, 11);

Примечание: последовательность номеров контактов, указанная в приведенной команде (8,10,9,11) – специально упорядочена таким образом чтобы подавать питание на катушки шагового двигателя в правильном порядке. Если вы измените номера контактов, к которым подключен шаговый двигатель, то вы соответствующим образом должны их упорядочить для подачи в приведенную команду.

Мы будем использовать специальную библиотеку для работы с шаговыми двигателями, поэтому для задания скорости вращения шагового двигателя мы можем использовать команду вида:

Для двигателя 28-BYJ48 скорость вращения можно установить в диапазоне от 0 до 200.

Теперь, чтобы двигатель сделал один шаг, мы можем использовать следующую команду:

Количество шагов, которое должен сделать двигатель, определяется переменной “val”. Поскольку мы имеем 32 шага (для оборота) и передаточное число 64 мы должны сделать 2048 (32*64=2048) “шагов” в этой команде для совершения одного полного оборота двигателя.

Соответственно, чтобы шаговый двигатель сделал один шаг по часовой стрелке, необходимо использовать команду:

А один шаг против часовой стрелки:

В нашей программе мы будем считывать значение на аналоговом контакте A0 платы Arduino и сравнивать его с предыдущим значением (Pval). Если оно увеличилось, то мы будем делать 5 шагов двигателем по часовой стрелке, а если уменьшилось – то 5 шагов двигателем против часовой стрелки.

potVal = map(analogRead(A0),0,1024,0,500);
if (potVal>Pval)
stepper.step(5);
if (potVal

stepper.step(-5);
Pval = potVal;

Дополнительные рекомендации по выбору

Кроме всех перечисленных показателей, стоит учитывать еще и следующие параметры:

• Стоимость. Рекомендуется внимательно изучить цену и характеристики моторов. Иногда при одинаковых параметрах разница в цене значительная. Также не стоит ориентироваться на известную фирму. Зачастую за имя производителя добавляется до 30 % стоимости.
• Сложность настройки. Для начинающих пользователей станков с ЧПУ лучше выбирать механизм попроще. В сложном двигателе можно запутаться и сломать его.
• Назначение устройства. От того, с какой целью будет применяться станок, зависит и характеристика двигателя.
• Схема подключения. Она зачастую определяется от количества проводов.
• Наличие центр-крана. В этом случае обмотка идет совместно с проводами (3 шт.).

При выборе шагового двигателя стоит учитывать все вышеперечисленные параметры. Тогда и мотор прослужит намного дольше, и работать с таким двигателем будет проще и быстрее. При покупке стоит проверять на наличие заводских браков.

• 16 ноября 2020
• 1104