В чем особенности шагового двигателя

В чем особенности шагового двигателя

Комплексные поставки комплектующих для ЧПУ и автоматизации

Расчёт проекта

Консультация

Устройство шагового двигателя и его управление

Устройство шагового двигателя и управление им
Шаговый двигатель (ШД)- это бесколлекторный синхронный электромотор, оснащённый несколькими обмотками. Подача напряжения на одну из обмоток статора вызывает остановку ротора. При последовательной активации обмоток ротор начинает дискретно поворачиваться. То есть, ротор совершает отдельные угловые перемещения – шаги. Отсюда и название этого типа электродвигателей.

Управление шаговым двигателем гораздо более сложное, нежели стандартным коллекторным аналогом. Сложность определяется необходимостью переключения в строгой последовательности напряжения в обмотках. При этом нужно ещё контролировать и силу тока. Обычно ШД управляются с помощью устройств, называемых драйверами.

Типы шаговых двигателей
Конфигурация обмоток определяет деление ШД на биполярные и униполярные.

У биполярного двигателя одна обмотка на каждую фазу. Всего их в биполярном двигателе две. Выводов, соответственно, четыре. Для изменения направления силовых линий магнитного поля драйвер переполюсовывает обмотку.

Какие критерии определяющие для выбора?

Надо помнить о том, что, по сравнению с обычными двигателями, шаговые требуют более сложных схем для управления. А критериев не так уж много.

1. Параметр индуктивности.

Первый шаг – определение квадратного корня из индуктивности обмотки. Результат потом умножаем на 32. Значение, полученное в качестве итога, потом требуется сравнивать с напряжением источника, от которого питание идёт к драйверу.

Эти числа не должны отличаться друг от друга слишком сильно. Мотор будет греться и шуметь слишком сильно, если напряжение питания больше полученного значения на 30 и больше %. Если же он меньше, то, по мере нарастания скорости, крутящий момент убывает. Чем больше индуктивность – тем проще сохранить высокий крутящий момент. Но для этого надо подобрать драйвер, имеющий большое напряжение питания. Только в этом случае шаговой двигатель работает нормально.

1. График того, как крутящий момент и скорость зависят друг от друга.

Это позволит понять, насколько двигатель в принципе соответствует запросам и техническому заданию.

1. Параметры геометрического плана.

Особое внимание рекомендуется уделить диаметру вала, фланцу и длине двигателя.

Кроме того, следующие показатели так же рекомендуется внимательно изучить:

• Максимальный статический синхронизирующий момент.
• Момент по инерции у роторов.
• Ток внутри фазы по номиналу.
• Общее сопротивление фаз омического типа.

Серводвигатели и шаговые двигатели

Принципы работы серводвигателей и шаговых двигателей без обратной связи аналогичны. Однако между этими двумя «аналогичными» понятиями есть ключевые различия, которые инженеры должны понять, прежде чем решить, какой двигатель идеально подходит для данного применения.

В традиционных сервоприводах контроллер отправляет команды на привод двигателя через импульс управления или аналоговую команду, связанную с положением, скоростью или крутящим моментом. Некоторые элементы управления могут использовать метод на основе шины данных, который в новейших элементах управления обычно представляет собой метод связи на основе Ethernet. Затем система управления электропривода передает соответствующий ток на каждую фазу двигателя. Обратная связь от двигателя возвращается к системе управления двигателя, при необходимости, к главному контроллеру. Привод полагается на эту информацию для правильной коммутации фаз и для отправки точной информации о динамическом положении вала двигателя. Таким образом, серводвигатели считаются двигателями с замкнутым контуром и содержат встроенные энкодеры, а данные о положении вала часто передаются в контроллер. Эта обратная связь дает контроллеру много информации для управления электрической машиной. Контроллер может в различной степени вносить коррективы в операции, если что-то работает не так, как должно быть. Этот тип важной информации является преимуществом, которое не могут предложить шаговые двигатели без обратной связи.

Шаговые двигатели также работают по командам, посылаемым на электропривод, чтобы определять пройденное расстояние и скорость. Как правило, этот сигнал является командой шага и направления. Однако степперы с разомкнутым контуром управления не могут обеспечивать обратную связь, поэтому их органы управления не могут должным образом оценить ситуацию и внести коррективы для улучшения работы электрической машины.

Например, если крутящего момента двигателя недостаточно, чтобы выдержать нагрузку, двигатель может остановиться или пропустить определенные шаги. Когда это произойдет, машина не перейдет на следующую позицию. Учитывая характеристики разомкнутого контура шагового двигателя, это неточное позиционирование не будет адекватно передано обратно на контроллер, чтобы он мог вносить корректировать шаги в реальном времени.

Кажется, что серводвигатель имеет явные преимущества с точки зрения эффективности и производительности, так почему же кто-то выбрал шаговый двигатель? Есть несколько причин. Наиболее распространенным является цена; эксплуатационные бюджеты являются важными факторами при принятии любого проектного решения. По мере сокращения бюджетов необходимо принимать решения по сокращению ненужных расходов. Таким образом, если преимущества серводвигателя не оправдывают его стоимость, стандартного шагового двигателя может быть вполне достаточно.

С чисто эксплуатационной точки зрения шаговые двигатели значительно проще в эксплуатации, чем серводвигатели. Управление шаговым двигателем намного проще для понимания и настройки. Большинство обслуживающего персонала согласятся с тем, что если нет причин чрезмерно усложнять операции, не нужно ничего усложнять.

Преимущества двух разных типов двигателей очень разные. Серводвигатели идеальны, если вам нужен двигатель со скоростью более 3000 об / мин и высоким крутящим моментом. Тем не менее, для применения, которое требует только скорости нескольких сотен об / мин или меньше, серводвигатель не всегда является лучшим выбором. Серводвигатели могут быть не эффективными для низкоскоростных применений.

Низкоскоростные приложения — то, где шаговые двигатели «сияют» как лучшее возможное решение. Шаговые двигатели предназначены для работы на низкой скорости при высоком крутящем моменте. По самой природе их конструкции они могут управляться и работать до предела скорости. Ограничение скорости обычных шаговых двигателей обычно составляет менее 1000 об / мин, тогда как серводвигатели могут иметь номинальные скорости до 3000 об / мин и выше, иногда даже свыше 7000 об / мин.

Если «степпер» имеет «правильный» размер, он может быть идеальным выбором. Однако, когда шаговый двигатель работает в конфигурации с разомкнутым контуром и что-то идет не так, операторы могут не получить все данные, необходимые для решения возникшей проблемы.

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;

Преимущества шаговых двигателей

• Меньшая цена при одинаковой мощности в силу более простой конструкции двигателя и драйвера.
• Возможность работы на экстремально низких оборотах без ухудшения характеристик и применения редукторов.
• Более точное позиционирование, обусловленное конструкцией двигателя.
• Отсутствие необходимости в обратной связи.
• Для фиксации вала двигателя при останове достаточно снять с него напряжение. При останове серводвигателя необходимо расходовать мощность на удержание либо использовать электромеханический тормоз.

Подключение Nema 17 через A4988

Подключение было реализовано на основании этой темы на Arduino форуме. Рисунок приведен ниже.

Собственно, данная схема присутствует практически на каждом блоге-сайте, посвященном Arduino. Плата была запитана от 12 вольтового источника питания. Но двигатель не вращался. Проверили все соединения, еще раз проверили и еще раз.

Первая проблема

Наш 12 вольтовый адаптер не выдавал достаточной силы тока. В результате адаптер был заменен на 8 батареек АА. И двигатель начал вращаться! Что ж, тогда захотелось перескочить с макетной платы на прямое подключение. И тут возникла

Вторая проблема

Когда все было распаяно, двигатель опять перестал двигаться. Почему? Не понятно до сих пор. Пришлось вернуться к макетной плате. И вот тут возникла вторая проблема. Стоит предварительно было посидеть на форумах или внимательно почитать даташит. Нельзя подключать-отключать двигатель когда на контроллер подано питание! В результате контроллер A4988 благополучно сгорел.

Эта проблема была решена покупкой нового драйвера на eBay. Теперь, уже с учетом накопленного грустного опыта, Nema 17 был подключен к A4988и запущен, но.

Купить шаговый двигатель в Украине

При внедрении автоматизированных процессов на предприятиях различных отраслей сегодня не обойтись без шагового двигателя. Компания «Рефит» является крупнейшим в Украине поставщиком оборудования для средств автоматики и станков с числовым программным управлением. У нас вы можете купить шаговые двигатели для ЧПУ в Киеве, Днепре или Одессе от ведущих производителей этой продукции. Мы гарантируем нашим покупателям:

• помощь в подборе нужного оборудования;
• высокое оригинальное качество шаговых моторов;
• своевременную их поставку с предоставлением полного пакета документов, в соответствии с действующим законодательством;
• честные, доступные цены.

Если вы хотите купить шаговые двигатели в Украине выгодно, с гарантией их качества и надежности – звоните по указанным на сайте телефонам! Специалисты нашей компании помогут подобрать подходящие двигатели для потребностей вашего производства, а также другие узлы и комплектующие для станков с числовым программным управлением и систем автоматизации производственных процессов. Мы работаем по всей Украине, поставляя продукцию в любой регион страны.