Как работает шаговый электродвигатель?

Как управлять шаговым двигателем без контроллера

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Принцип работы шагового электродвигателя

1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

• По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
• По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося

основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

• малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
• высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Замкнутые и разомкнутые системы

Системы позиционирования оси позволяют интеллектуальным контроллерам позиционировать оборудование с исключительной точностью. Выдается команда на перемещение в желаемую точку в трехмерном пространстве и машина реагирует очень быстро и точно.

Системы позиционирования обычно используют один из двух способов: системы с замкнутым и разомкнутым контуром. Так в чем же разница между этими двумя подходами к позиционированию?

В системах с замкнутым контуром обычно используются серводвигатели для управления скоростью и положением движущейся оси. Серводвигатели работают так же, как и любой обычный двигатель, когда на них подается питание, они вращаются. Это вращение принимает непрерывное плавное движение. Задача серводвигателя — не только приводить двигатель в действие, но и точно контролировать скорость.

Наряду со скоростью в замкнутой системе также требуется обратная связь по положению. Обычно это обеспечивается энкодером или линейной шкалой. Позиционная обратная связь с контроллером машины позволяет ему быстро двигаться к заданному месту, а затем плавно замедляться, чтобы остановиться на цели.

В системах с разомкнутым контуром нет устройства обратной связи для контроля скорости или положения. Вместо этого расстояние, которое необходимо преодолеть от текущего местоположения, делится системой управления машиной на несколько точных шагов определенного размера. Система управления также определяет оптимальную кривую скорости системы на основе предварительно определенных параметров. Затем команды поступают на шаговый двигатель в виде импульсов. Работа драйвера шагового двигателя заключается в преобразовании командных импульсов в фактические шаги привода двигателя далее шаговые двигатели продвигаются по этим шагам, достигая желаемого результата.

Какие драйвера для шаговых двигателей 3D принтера можно купить?

1. TMC2208, TMC2130, TMC2100. Выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, пиковый выходной ток 2,5А. Напряжения питания силовой части: 4.75 — 36 В. Дробление шага: 1/2, 1/4, ⅛ и 1/16 с возможностью интерполяции до 1/256. Он используется для снижения уровня шума при работе с 8-битными микроконтроллерами. Может применяться в устройствах с маломощными режимами работы, а так же в оборудовании, где востребована высокая энергетическая эффективность моторов. TMC2208 построен на микросхеме от Trinamic и способен выдавать до 2.5 А на обмотку, чего достаточно для использования в 3D принтерах и ЧПУ. При этом решается проблема шумности работы шаговых двигателей за счёт эффективных алгоритмов формирования управляющих импульсов(StealthChop2™) и управления током.

Тихие драйверы, рекомендуем ставить именно их. Стоит дороже остальных около 15 $.

2. A4988 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, без охлаждения – до 1 А. Напряжения питания силовой части: 8-35 В. Преимущества драйвера А4988 – наличие защиты от перегрузок и перегрева, возможность регулировки тока и несколько вариантов микрошага. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. На 9В значительно тише, чем на 12В, без потери крутящего момента. Резкое усиление звука происходит с 11В до 12В. Стоимость около 6 $.

Советуем к прочтению: Мощность постоянного электрического тока

4. DRV8825 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А. Напряжения питания силовой части: 8-45 В. Электрическая и механическая совместимость с драйвером A4988. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. По отзывам имеют конструктивный недостаток, что выражения в появлении дефектов на поверхности отпечатка в виде вертикальных полос(полосы зебры). Недостаток можно устранить установив TL-Smoother, но гораздо рентабельнее будет купить вместо них TMC2208. Стоимость около 6 $.

Сглаживающее устройство TL-Smoother

Плата, которая соединяет шаговый драйвер и шаговый двигатель, уменьшая шум и вибрации на вашем 3D-принтере, снижая риск образования дефекта«полоса зебры».

Эта небольшая плата имеет восемь выпрямительных диодов, которые улучшают форму волны шагового двигателя, в частности, для более старых более дешевых шаговых драйверов, например DRV8825 и A4988. Улучшение формы волны снижает шум двигателя за счет уменьшения вибрации. Поскольку вибрации уменьшаются, качество печати также улучшается. Просто установите плату между драйвером и шаговым двигателем, ориентация не имеет значения. Для удобства в комплект входит небольшой 4-проводной разъем длиной 20 см, чтобы подключить плату к электронике. Стоимость около 7 $

Дефект полосы зебры или муар

Подключение шаговых двигателей

Выбор схемы подключения шагового двигателя зависит от:

• количества проводов в приводе;
• способа запуска механизма.

Существующие модели движков имеют 4, 5, 6 или 8 проводов. Прибор с четырьмя проводами можно подключать только к биполярным устройствам. Он оснащен двумя фазными обмотками, каждая из которых имеет два провода. Для пошагового подключения драйвера необходимо определить пары проводов с непрерывной связью с помощью метра.

В механизме с шестью проводами каждая обмотка имеет два провода и центральный кран. Движки этой модели характеризуются высокой мощностью и подключаются как к биполярным, так и к однополярным исполнительным устройствам.

В первом случае используется один центр-кран каждой обмотки и один конец провода.

Во втором случае используются все шесть проводов. Разделение провода осуществляется с помощью измерительного прибора.

Отличие пятипроводного мотора от шестипроводной модели заключается в том, что соединение центральных клемм представляет собой сплошной кабель, который выходит к центральному проводу.

Поскольку отделение одной обмотки от другой без разрывов не представляется возможным, необходимо определить центр провода, после чего соединять его с другими проводниками. Это будет самым безопасным и максимально эффективным решением. Затем движок подключается к сети и проводится проверка его работоспособности.

Для успешной эксплуатации механизма нужно иметь в виду следующие нюансы:

• Номинальное напряжение производится первичной обмоткой при постоянном токе.
• Изменение начальной скорости крутящего момента прямо пропорционально изменению тока.
• Скорость понижения линейного момента на последующих высоких скоростях зависит от индуктивности обмоток и схемы привода.

Типичные схемы подключения ШД

Схема подключения 6-ти выводного шагового двигателя к драйверу GeckoDrive (биполярное последовательное подключение обмоток)

Схема подключения 8-ми выводного ШД с биполярным параллельным соединением обмоток к драйверу GeckoDrive

Схема подключения 8-ми выводного ШД с биполярным последовательным соединением обмоток к драйверу GeckoDrive

Управление шаговыми электродвигателями

Существуют три режима управления шаговым двигателем:

Полношаговый режим управления

Первый способ был описан в примерах выше. Это попеременная коммутация фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза.

Способ называется на английском one phase on full step – одна фаза на полный шаг. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора. Недостатком этого режима является то, что в один и тот же момент используется половина обмоток для биполярного двигателя, и только четверть для униполярного.

Есть вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы. Называется two-phase-on full step – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки.

Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага. Этот способ позволяет от двигателя получить в два раза больше шагов на оборот ротора.

Каждый второй шаг включается одна фаза, а между ними — включаются сразу две.

В результате такой коммутации угловое перемещение шага уменьшается в два раза, или в два раза увеличивается число шагов. Полный момент получить в полушаговом режиме не удается.

Не смотря на это, полушаговый режим используется часто. Уж очень простыми методами он удваивает число шагов двигателя.

Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий.

Чтобы зафиксировать положение ротора, необходимо формировать в обмотках двигателя ток удержания. Этот ток может быть значительно меньше номинального.

Способность шагового двигателя фиксировать свое положение при остановке позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п.

Управление безколлекторными шд

Для управления шаговым двигателем требуется контроллер. Контроллер, это схема, подающая напряжение к одной из катушек статора. Контроллер изготовлен на базе интегральной микросхемы типа ULN 2003 включающей в себя комплект составных ключей. Каждый ключ имеет на выходе защитные диоды, которые, позволяют подключать индукционные нагрузки, не требуя дополнительной защиты.

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.

Как 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.

Контроллер управления шаговыми двигателями, сделанный своими руками

Задача проста: по готовой схеме и программе Павла Бахтинова с этого форума развести печатную плату, собрать и отладить контроллер управления шаговыми двигателями, установленными в монтировке астрономического телескопа. Далее, необходимо изготовить приличный корпус и пульт управления.
Все начинается с деталек (сразу вспоминается закон Мерфи: «Ни один талант не смог пережить страсти к деталькам» ):

Работа над схемой:

Разводим печатную плату:

Тут надо сказать несколько слов о моем НОУ-ХАУ в изготовлении фотошаблонов для перевода рисунка на печатную плату.

Обычно я их печатаю на принтере — чаще на струйном, реже на лазерном, т.к. термопленка давала непредсказуемую усадку после термообработки в лазернике (а шаблоны необходимы для двух сторон), поэтому невозможно было совместить два шаблона с достаточной точностью (до 0,15 мм).

Струйный принтер хорошо повторяет размеры, но не достаточно плотно заполняет черным цветом дорожки, кое-где они все же просвечиваются. Решение этой проблемы было вскоре найдено: печатаем не чистым черным, а чуть светлее в сторону желтого — принтер начинает добавлять к черной краске желтую (непрозрачную для УФ излучения) и дорожки, хотя и выглядят более прозрачными, после перевода фотоспособом получаются более плотные, практически без изьянов.

Советуем к прочтению: Что такое КИП и КИПиА: расшифровка аббревиатуры, назначение

Главное — подобрать экспозицию:

Идет процесс травления печатной платы:

Сверлим отверстия диаметром от 0.7мм до 1.5мм самодельным сверлильным станком:

Паяльник старенький да удаленький:

Забиваем плату деталями:

Все детали запаяны:

Обратная сторона платы, начался процесс отладки:

Вот так будем ставить нагревающиеся элементы (те, что выше на рисунке с этой стороны платы стоят — интегральный стабилизатор и две микросхемы — драйверы моторов) вот на такие красивые радиаторы:

В данное время началась работа над пультом. Главное в пульте управления, считаю — эргономика, насколько только это уместно применить к той коробочке, которая получится после сборки на отечественных БОЛЬШИХ, но надежных микрокнопках.

Контроллеры ШД

Контроллеры – платы коммутации, используемые для преобразования управляющих команд, поступающих с ПК, в последовательность импульсов для драйверов. Плата может иметь дополнительный функционал – разъемы для подключения концевых ограничителей, силовые реле, разъемы для управления шпинделем. Подключается к компьютеру через LPT или USB интерфейс.

Многоканальные драйверы ШД –устройство объединяющее в себе драйвера ШД и плату коммутации. Подключаются к ПК непосредственно управляют ШД. Также в состав контроллера входят такие функциональные возможности как таймер СОЖ, конвертор ШИМ для инвертора, силовые реле, разъемы для подключения датчиков ограничения линейных перемещений. Драйвера могут исполняться на различное количество ШД.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Как подключить шаговый двигатель без контроллера

Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель.
Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Схема подключения шаговых двигателей

Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер. Контроллер — схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Схемы управления достаточно сложны, по сравнению с обычными электромоторчиками, и имеют много особенностей. Подробно рассматривать тут мы их не будем, а просто приведём фрагмент популярного контроллера на ULN2003A.

В общем шаговые двигатели являются отличным способом для того, чтобы повернуть что-то в точный размер угла с большим количеством крутящего момента. Другое преимущество их в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

В статье речь идет о том, как отремонтировать пластмассовый китайский электрочайник.

От старого сканера:

• 1 шаговый двигатель
• 1 микросхема ULN2003
• 2 стальных прута

Для корпуса: – 1 картонная коробка

• Клеевой пистолет
• Кусачки
• Ножницы
• Принадлежности для пайки
• Краска

• 1 разъем DB-25 – провод
• 1 цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока Для испытательного стенда
• 1 стержень с резьбой
• 1 подходящая под стержень гайка – разные шайбы и шурупы – куски древесины

Для управляющего компьютера:

• 1 старый компьютер (или ноутбук)
• 1 копия TurboCNC ( отсюда)

Берем детали от старого сканера. Чтобы построить собственный ЧПУ контроллер нужно для начала извлечь из сканера шаговый двигатель и плату управления. Здесь не приведено никаких фотографий, потому что каждый сканер выглядит по-своему, но обычно нужно просто снять стекло и вывернуть несколько винтов. Кроме двигателя и платы можно оставить еще металлические стержни, которые потребуются для тестирования шагового двигателя.

Извлекаем микросхему из платы управления Теперь нужно найти на плате управления шаговым двигателем микросхему ULN2003. Если вы не смогли обнаружить ее на своем устройстве, ULN2003 можно купить отдельно. Если она есть, ее нужно выпаять. Это потребует некоторого умения, но не так уж сложно. Сначала при помощи отсоса удалите как можно больше припоя. После этого осторожно просуньте под микросхему конец отвертки. Осторожно прикоснитесь концом паяльника к каждому выводу, продолжая при этом нажимать на отвертку.

Пайка Теперь нам нужно припаять микросхему на макетную плату. Припаяйте к плате все выводы микросхемы. На показанной здесь макетной плате имеется две шины электропитания, поэтому положительный вывод ULN2003 (смотрите схему здесь и на рисунке ниже) припаивается к одной из них, а отрицательный – к другой. Теперь, нужно соединить вывод 2 коннектора параллельного порта с выводом 1 ULN2003. Вывод 3 коннектора параллельного порта соединяется с выводом 2 ULN2003, вывод 4 – с выводом 3 ULN2003 и вывод 5 – с выводом 4 ULN2003. Теперь вывод 25 параллельного порта припаивается к отрицательной шине питания.

Далее к управляющему устройству припаивается мотор. Делать это придется путем проб и ошибок. Можно просто припаять провода так, чтобы потом цеплять на них крокодилы. Еще можно использовать клеммы с винтовым креплением или что-нибудь подобное. Просто припаяйте провода к выводам 16, 15, 14 и 13 микросхемы ULN2003. Теперь припаяйте провод (желательно черный) к положительной шине питания. Управляющее устройство почти готово. Наконец, подсоедините к шинам электропитания на макетной плате цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока. Чтобы провода не могли отломаться, их закрепляют клеем из пистолета.







Шаг 5.

Установка программного обеспечения Теперь о программном обеспечении. Единственная вещь, которая точно будет работать с вашим новым устройством – это Turbo CNC. Скачайте его здесь. Распакуйте архив и запишите на CD. Теперь, на компьютере, который вы собираетесь использовать для управления, перейдите на диск C:// и создайте в корне папку «tcnc». Затем, скопируйте файлы с CD в новую папку. Закройте все окна. Вы только что установили Turbo CNC.





Шаг 6.

Советуем к прочтению: Закон кулона: формула, определение, сила взаимодействия зарядов, коэффициент

Настройка программного обеспечения Перезагрузите компьютер чтобы перейти к работе в MS-DOS. В командной строке наберите «C: cncTURBOCNC». Иногда лучше использовать загрузочный диск, тогда копия TURBOCNC помещается на него и нужно набирать, соответственно «A: cncTURBOCNC». Возникнет экран, похожий на изображенный на рис. 3. Нажмите пробел. Теперь вы находитесь в главном меню программы. Нажмите F1, и при помощи клавиш со стрелками выберите меню «Configure». При помощи клавиш со стрелками выберите «number of axis». Нажмите Enter. Введите количество осей, которые будут использоваться. Поскольку у нас только один мотор, выбираем «1». Нажмите Enter чтобы продолжить. Снова нажмите F1 и в меню «Configure» выберите пункт «Configure axes», затем дважды нажмите Enter.

Появится следующий экран. Нажимайте Tab пока не перейдете к ячейке «Drive Type». При помощи стрелки вниз выберите пункт «Phase». Снова при помощи Tab выберите ячейку «Scale». Чтобы использовать калькулятор, нам нужно найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот. Зная номер модели двигателя, можно установить на сколько градусов он поворачивается за один шаг. Чтобы найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот, теперь нужно поделить 360 на число градусов за один шаг. Например, если мотор поворачивается за один шаг на 7,5 градусов, 360 поделить на 7,5 получится 48. Число, которое получится у вас, забейте в калькулятор шкалы (scale calculator).

Остальные настройки оставьте как есть. Нажмите OK, и скопируйте число в ячейке Scale в такую же ячейку на другом компьютере. В ячейке Acceleration установите значение 20, поскольку установленных по умолчанию 2000 слишком много для нашей системы. Начальную скорость установите равной 20, а максимальную – 175. Нажимайте Tab пока не дойдете до пункта «Last Phase». Установите в нем значение 4. Нажимайте Tab пока не дойдете до первого ряда иксов.

Скопируйте следующее в четыре первых ячейки:

1000XXXXXXXX
0100XXXXXXXX
0010XXXXXXXX
0001XXXXXXXX

Остальные ячейки оставьте без изменений. Выберите OK. Теперь вы настроили программное обеспечение.









Шаг 7.

Строим тестовый вал Следующим этапом работы будет сборка простого вала для тестовой системы. Отрежьте 3 бруска дерева и скрепите их друг с другом. Чтобы получить ровные отверстия проведите на поверхности дерева ровную линию. Просверлите на линии два отверстия. Еще 1 отверстие просверлите посередине ниже первых двух. Отсоедините бруски. Через два отверстия, что находятся на одной линии, проденьте стальные пруты. Чтобы закрепить пруты воспользуйтесь небольшими шурупами. Проденьте пруты сквозь второй брусок. На последнем бруске закрепите двигатель. Не имеет значения, как вы это сделаете, будьте изобретательны.

Чтобы закрепить двигатель, имевшийся в наличии, использовали два отрезка стержня с резьбой 1/8. Брусок с прикрепленным двигателем надевается на свободный конец стальных прутов. Снова закрепите их шурупами. Сквозь третье отверстие на первом бруске проденьте стержень с резьбой. Заверните на стержне гайку. Проденьте стержень сквозь отверстие во втором бруске.

Поворачивайте стержень до тех пор, пока он не пройдет сквозь все отверстия и не дойдет до вала двигателя. Соедините вал двигателя и стержень при помощи шланга и зажимов из проволоки. На втором бруске гайка удерживается при помощи дополнительных гаек и винтов. В завершение, отрежьте брусок дерева для подставки. Привинтите ее шурупами ко второму бруску. Проверьте, установлена ли подставка ровно на поверхности. Регулировать положение подставки на поверхности можно при помощи дополнительных винтов и гаек. Так делается вал для тестовой системы.









Шаг 8.

Подсоединяем и тестируем двигатель Теперь нужно соединить двигатель с контроллером. Во-первых, соедините общий провод (смотрите документацию к двигателю) с проводом, который был припаян к положительной шине питания. Другие четыре провода соединяются путем проб и ошибок. Соедините их все, и затем меняйте порядок соединения, если ваш двигатель делает два шага вперед и один назад или что-либо подобное. Для проведения тестирования подключите 12 В 350 мА источник питания постоянного тока в цилиндрическое гнездо.

Затем соедините разъем DB25 c компьютером. В TurboCNC проверьте как соединен двигатель. В результате тестирования и проверки правильного подсоединения двигателя у вас должен получиться полностью работоспособный вал. Чтобы проверить масштабирование вашего устройства, прикрепите к нему маркер и запустите тестовую программу. Измерьте получившуюся линию. Если длина линии составляет порядка 2-3 см, устройство работает правильно. В противном случае, проверьте вычисления в шаге 6. Если у вас все получилось, поздравляем, самое трудное уже позади.


Шаг 9.

Изготовление корпуса – это завершительный этап. Присоединимся к защитникам природы и сделаем его из вторсырья. Тем более, что контроллер у нас тоже не с магазинных полок. У представленного вашему вниманию образца плата имеет размер 5 на 7,5 см, поэтому корпус будет размером 7,5 на 10 на 5 см, чтобы оставить достаточно места для проводов. Из картонной коробки вырезаем стенки. Вырезаем 2 прямоугольника размером 7,5 на 10 см, еще 2 размером 5 на 10 см и еще 2 размером 7,5 на 5 см (см. рисунки). В них нужно вырезать отверстия для разъемов. Обведите контуры разъема параллельного порта на одной из 5 х 10 стенок. На этой же стенке обведите контуры цилиндрического гнезда для питания постоянного тока. Вырежьте по контурам оба отверстия.

То, что вы будете делать дальше, зависит от того, припаивали ли вы к проводам двигателя разъемы. Если да, то закрепите их снаружи второй пока пустой стенки размером 5 х 10. Если нет, проткните в стенке 5 отверстий для проводов. При помощи клеевого пистолета соедините все стенки вместе (кроме верхней, см. рисунки). Корпус можно покрасить.













Шаг 10.
Изготовление корпуса

Теперь нужно приклеить все компоненты внутрь корпуса. Убедитесь, что на разъемы попало достаточно много клея, потому что они будут подвергаться большим нагрузкам. Чтобы коробка оставалась закрытой, нужно сделать защелки. Из пенопласта вырежьте пару ушек. Затем вырежьте пару полос и четыре небольших квадратика. Приклейте по два квадратика к каждой из полос как показано на рисунке. Приклейте ушки по обеим сторонам корпуса. Сверху коробки приклейте полосы. Этим завершается изготовление корпуса.

Шаг 11.

Возможные применения и заключение Этот контроллер можно применять как: – ЧПУ устройство – плоттер – или любую другую вещь, которой нужно точное управление движением. – добавление- Здесь приведены схема и инструкции по изготовлению контроллера с тремя осями. Чтобы настроить программное обеспечение, следуйте вышеуказанным шагам, но в поле «number of axis» введите 3.

Для настройки первой оси делайте все как было сказано выше, для второй оси тоже, но в строках первых четырех фаз введите следующее:

«XXXX1000XXXX
XXXX0100XXXX
XXXX0010XXXX
XXXX0001XXXX»

Для третьей оси в строках первых четырех фаз введите:

«XXXXXXXX1000
XXXXXXXX0100
XXXXXXXX0010
XXXXXXXX0001″

• https://stanokcnc.ru/articles/shagovyy-dvigatel-chto-eto-takoe-i-kak-on-rabotaet-printsip-raboty-i-ustroystvo/
• https://3dradar.ru/post/48139/
• https://ElectroInfo.net/jelektricheskie-mashiny/vse-chto-nuzhno-znat-o-shagovyh-jelektrodvigateljah.html
• https://cnc-tehnologi.ru/drajvery-i-kontrollery-shd
• https://avtika.ru/kak-prosto-podklyuchit-shagovyy-dvigatel/
• https://avtika.ru/kak-upravlyat-shagovym-dvigatelem-bez-kontrollera/

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

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.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

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.

Типы шаговых двигателей

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.

По конструкции ротора

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

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.

Весомым 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°.

С постоянными магнитами

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°.

Гибридные

Был 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.

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:

Из-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.

За 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.

По виду обмоток

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

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.

Для 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.

Биполярный

Биполярный 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.

В 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.

Подключение шагового двигателя

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.

Типичные схемы подключения ШД

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:

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

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.

Полношаговый — 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.

Полушаговый – 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.

Для 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.

Без контроллера

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.

Как 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.

С контроллером

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.

Популярные схемы управления ШД

Является 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.

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.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

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).

Для 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.

Полезное видео

Поделиться в социальных сетях

Комментарии и отзывы (1)

Игорь Свистель

Здравствуйте. На снимках осциллограммы до и после драйвера. Делал драйвер на ULN2004 и на полевиках. Пробовал 3 двигателя. Картинка та-же. Движки бесятся. Подскажите пожалуйста причину.

Оставьте комментарий Отменить ответ

© 2022 Информационный интернет-сайт «ASUTPP»

Информация на сайте предоставлена в справочных целях. По вопросам электромонтажных работ всегда консультируйтесь с квалифицированными лицами.

Читайте еще

div’ data-code=’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’ data-block=’7’>

Шаговые двигатели – типы, устройство и принцип работы, подключение и управление

Шаговый двигатель (ШД) — бесщеточный механизм с несколькими обмотками и последовательной подачей напряжения на каждую из них. Первые экземпляры электрических моторов такого типа появились еще в 1830-х годах, и почти за 200 лет устройство претерпело значительных изменений.

Ниже рассмотрим, что это за агрегат, какие бывают виды и особенности конструкции, на каком принципе работают, и где применяются. Отдельно разберем плюсы и минусы, тонкости подключения и управления, а также другие вопросы, касающиеся разновидности мотора.

Что такое шаговый двигатель

Шаговый двигатель — электромотор, где импульсное питание током приводит к перемещению роторной части на заданный угол. Относится к классу бесколлеркторных электромоторов постоянного тока.

После его запуска создается наибольший момент при минимальной скорости, а сам двигатель показывает отличные характеристики даже в состоянии покоя.

Управление осуществляется посредством дискретных импульсов, формируемых на драйвере мотора.

Первые шаговые двигатели имели вид электромагнита, вращающего в момент включения храповое колесо. Каждое включение приводило к перемещению на одну позицию.

За время эксплуатации моторы были существенно оптимизированы с позиции конструктивных и функциональных параметров.

Сфера применения

Шаговые двигатели получили широкое применение и устанавливаются во многих механизмах.

1. Периферийные устройства вычислительных машин.
2. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ): XY-столы, фрезерные станки, чертежные автоматы.
3. Устройства компьютерной памяти.
4. Оборудование для чтения оптических дисков.
5. Перфоратор и считыватель ленты и т. д.

Активное применение в машиностроении получили двухфазные шаговые электродвигатели гибридного типа. Также они используются в приводах разных машин и механизмов, которые работают в режиме «старт-стоп».

Типы и конструктивные особенности

Сегодня применяется несколько видов ШД, отличающихся по конструкции, типу обмоток, особенностям управления и иным параметрам. Рассмотрим каждую классификацию более подробно.

По конструкции ротора

Многие характеристики двигателя, касающиеся скорости вращения и режима работы, зависят от ротора.

С этой позиции выделяется три вида устройства.

Реактивный (синхронный). Особенность — отсутствие роторного магнита. Конструктивно изготавливается из специальных сплавов, позволяющих снизить индуктивные потери. Устройство имеет вид шестеренки с зубцами, а на полюсах статора подается напряжение со второй пары. Как результат, создается магнитная сила для перемещения ротора. По принципу действия реактивный шаговый агрегат имеет много общего с синхронным мотором, где поля ротора и статора вращаются в одном направлении.

1. Двигатель с магнитами. В отличие от прошлого устройства подвижный элемент комплектуется постоянным магнитом с двумя и более полюсами. Ротор крутится, благодаря притягиванию и отталкиванию полюсов с помощью электрического поля в момент подачи разницы потенциалов на определенные обмотки.
2. Смешанные. В гибридных устройствах совмещаются лучшие качества магнитных и реактивных моторов. В отличие от прошлых моделей угол и шаг здесь меньше. Конструктивно ротор оборудован постоянным магнитом, имеющим цилиндрическую форму. Внешне он имеет вид двух полюсов с круглым сечением, на поверхности которых находятся роторные зубцы. Такая особенность гарантирует хороший момент вращения и удерживания. Главные плюсы — максимальная плавность, точность и скорость перемещения.

По типу обмоток

Плавность функционирования шагового двигателя находится в прямой зависимости от числа обмоток, поэтому на этот фактор важно обращать особое внимание.

Многие ошибочно считают, что количество обмоток зависит от числа фаз. Это не так, ведь даже 2-фазный мотор может иметь четыре и более обмотки.

Шаговые двигатели бывают:

1. Униполярными. Особенность — наличие отпайки из средней точки, что позволяет с легкостью менять полюса. Минус состоит в применении части витков, поэтому уменьшается момент вращения. Для повышения мощности средний вывод подключать не рекомендуется. Конструктивно униполярные устройства содержат пять и шесть выводов.
2. Биполярный. К этой группе относится шаговый двигатель, подключаемый к контроллеру через четыре отпайки. Обмотки могут объединятся в параллель или последовательно. Для изменения направления тока применяются так называемые чипы, обеспечивающие ручное управление. Достижение такого эффекта доступно с помощью Н-моста. Если сравнивать с униполярным видом, биполярный тип гарантирует тот же момент, но при меньших размерах.

По типу управления

Для расширения функционала и удобства применения предусмотрена система управления.

Она бывает следующих типов.

Волновая: возбуждение только одной обмотки. Недостатком является минимально доступный момент.

Полношаговая: одновременное включение обмоток.

Полушаговая: делание геометрии шагового мотора пополам. Обеспечивается увеличенное разрешение при позиционировании вала агрегата.

По типу

При выборе шаговых двигателей нужно понимать, что они бывают нескольких типов.

Кратко рассмотрим их особенности:

1. Биполярные двигатели — двухфазные с угловым перемещением в 0,9 или 1,8 градуса. Разработчики гарантируют высокую точность шага без нагрузки величиной до 5%.
2. С энкодером (часто называются гибридными серводвигателями). Особенность состоит в наличии инкрементального энкодера. Моторы объединяют лучшие качества серво- и шаговых электрических моторов, а цена таких устройств меньше в сравнении с сервосистемой. Применяются в комплексе с контроллером.
3. Линейные (актуаторы). Принцип действия построен на преобразовании вращательного движения в линейное. Иными словами, в них сочетается винтовая передача и ШД, объединенные в общем блоке.
4. Шаговые двигатели с редуктором. Применяются в ситуации, когда необходимо получить максимальное усилие на валу электрического привода с минимальной скоростью вращения. В роли редуктора используется планетарный тип, оборудованный прямозубыми шестеренками с небольшим люфтом передачи.

На рынке представлен большой выбор устройств, имеющих индивидуальные характеристики и подходящих для определенных сфер деятельности. Эти моменты необходимо учитывать при выборе модели.

Читайте также:

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного для чайников кратко, простыми словами, сравнение по конструкции и принципу действия

Принцип работы

В зависимости от вида агрегата его конструктивные особенности могут отличаться, но общий принцип действия почти неизменный. Так, на статоре предусмотрены четыре обмотки, расположенные под 90-градусным углом.

Как только на первую обмотку подается напряжение, ротор перемещается на указанный выше угол. При поступлении напряжения на вторую, третью и четвертую обмотку вал продолжает вращаться до прохождения полного круга. Далее процесс повторяется сначала.

При желании изменить очередность вращения требуется подавать импульсы в обратном направлении. Для удобства пользователи могут управлять ШД и менять его характеристики с учетом особенностей использования.

Преимущества и недостатки

Перед применением шагового двигателя необходимо изучить его плюсы и минусы. По ним проще судить об актуальности применения оборудования для решения задач разной сложности.

1. Точность. При подаче напряжения на определенные обмотки ротор поворачивается на строго определенный угол.
2. Продолжительный срок службы. Если следить за оборудование, проводить периодические проверки и восстановительные процедуры, шаговый двигатель способен прослужить не меньше станка.
3. Часто применяется в качестве более дешевой альтернативы сервопривода. Его часто применяют для автоматизации разного рода узлов.
4. Стабильность. ШД работает при разных нагрузках и не боится колебания этого параметра.
5. Легкость в применении. Управление шаговым двигателем не требует специальных знаний. Разобраться в принципе действия и правилах использования может даже новичок.
6. Отличные характеристики: поддержка максимального момента вращения (даже при низкой скорости), четкость фиксации после остановки.
7. Простота ремонта. Имеет простую конструкцию, поэтому с обслуживанием и восстановлением не возникает трудностей.

1. Низкий момент. ШД не могут похвастаться достаточным моментом при повышении скорости вращения. Единственный выход — улучшение динамических параметров с помощью специальных ШИМ-драйверов.
2. Вибрации. Из-за дискретности шага возникают вибрации, которые неизбежно приводят к уменьшению момента вращения и появлению резонансов в системе.
3. Риск нарушения позиционирования. Изменение этого параметра возможно при повышении нагрузки выше допустимого параметра.
4. Небольшая эффективность. Шаговый двигатель использует много энергии даже при минимальной нагрузке.
5. Трудности с набором скорости. Агрегат с трудом набирает обороты после мгновенной перегрузки.
6. Риск «проскальзывания» ротора. Это известная проблема, проявляющаяся в случае повышения нагрузки выше допустимого значения. Для ее решения можно установить датчик или увеличить мощность мотора.

Это не исчерпывающий список слабых и сильных характеристик шагового механизма, но достаточный для принятия решения.

Основные характеристики

При выборе шагового двигателя необходимо смотреть на его параметры.

Выделим основные моменты:

1. Количество полных шагов. От этого показателя зависит плавность и точность хода, а также разрешающая способность. В современных моделях число полных шагов должно быть в пределах 200-400.
2. Сопротивление обмотки. Свидетельствует о напряжении, которое может выдать агрегат.
3. Угол дискретного перемещения. Считается путем деления 360 градусов на число отдельных перемещений за оборот. Оптимальный показатель от 0,9 до 1,8 градуса.
4. Индуктивность фазы. Определяет скорость увеличения тока, что актуально при ускоренном вращении вала.
5. Пробивное напряжение. Максимальный параметр, при котором нарушается целостность изоляционного слоя и определяется безопасность применения.
6. Сопротивление изоляции. Измеряется между каждой из обмоток и кожухом.
7. Номинальный ток. Наибольший параметр, при котором возможна безопасная эксплуатация агрегата.
8. Допустимое напряжение («постоянка»). Измерение осуществляется на витках. Иногда этот параметр не указывается, но в таком случае его можно посчитать по закону Ома.

Отдельное внимание важно уделить еще одному параметру — моменту. Он бывает нескольких видов:

• удерживающий: актуален в случае полной остановки и питания током двух фаз;
• крутящий: зависит от частоты вращения, указывается максимальный показатель для агрегата;
• стопорный: необходим для проворачивания вала при отсутствии питания;
• инерционный: чем ниже этот показатель, тем быстрее разгоняется двигатель.

Комплексный анализ характеристик позволяет с большей точностью подобрать устройство под решение конкретных задач.

Подключение шагового двигателя

Для подачи потенциала на обмотки ШД необходим механизм, способный выдать один или группу импульсов в конкретной последовательности. В роли таких элементов выступают полупроводниковые устройства и драйвера на базе микропроцессоров.

В них предусмотрена группа выходных клемм, каждая из которых формирует режим функционирования и подачи напряжения.

С учетом схемы подключения используются те или иные выводы устройства. Как результат, удается подобрать конкретную скорость вращения, шаг или микрошаг для перемещения в плоскости.

Всего выделяется шесть основных схем соединения:

• биполярный;
• биполярный с отводом из центральной части обмотки;
• униполярный с четырьмя фазами и подключением пары обмоток;
• четырехфазный униполярный с параллельным подключением;
• четырехфазный униполярный с последовательным соединением.

Если питание шагового двигателя осуществляется от одинакового драйвера, в отношении упомянутых выше схем можно выделять ряд особенностей:

1. Отводы всегда подходят к соответствующим клеммам. При последовательном объединении обмоток повышается индуктивность обмоток и снижается ток.
2. Пользователь получает паспортные параметры касательно параметров. При параллельном подключении повышается ток и уменьшается индуктивность. Если подключить обмотку по одной фазе, уменьшается момент на низких оборотах, и снижается величина тока.
3. Сохраняются динамические и электрические параметры (с учетом данных в паспорте).
4. Повышенный момент и использование для получения больших частот.
5. Увеличение момента (используется для небольших частот вращения).

Принципиальные схемы подключения показаны ниже.

Для беспроблемной эксплуатации ШД важно помнить о тонкостях подачи номинального напряжения, скорости момента вращения и снижения линейного напряжения.

Отдельного внимания заслуживает подключение шагового двигателя к Ардуино. В этом случае управляющие выходы с драйвера подключены цифровым контактам на Arduino Uno.

Питающее напряжение равно 5 В. Дополнительно можно использовать еще один источник питания во избежание перегрева платы.

Кстати, как сделать умный дом на Arduino читайте тут https://elektrikexpert.ru/arduino.html.

Управление шаговым двигателем

Как уже отмечалось, выделяется несколько способов управления шаговым агрегатом. Каждый из вариантов имеет ряд особенностей в вопросе подачи сигналов на имеющиеся полюса.

К главным методам управления относится:

1. Волновой. Особенность состоит в подаче возбуждения к одной обмотке. Именно к ней и подтягиваются роторные полюса. При этом ШД не способен выдержать большую нагрузку, ведь выдает лишь часть момента.
2. Полношаговый. Суть такого управления в одновременном возбуждении двух фаз, что гарантирует наибольший момент при параллельной схеме подключения. Если соединить обмотки последовательно, будет создаваться максимальный ток и напряжение.
3. Полушаговый. Комбинация двух рассмотренных выше режимов. При реализации такой схемы в шаговом моторе происходит поочередная подача напряжения. Сначала оно направляется в одну катушку, а потом сразу в обе. Как результат, гарантируется лучшая фиксация на наибольших скоростях и максимальным числом шагов.

Чтобы преодолеть инерцию и достичь более мягкого управления, применяется микрошаговая структура. Особенность — задание синусоиды с помощью многочисленной подачи импульсов.

Как результат, силы взаимодействия магнитных цепей более плавно меняются, и обеспечивается мягкое перемещение между полюсами. В итоге уменьшаются рывки во время работы.

По наличию контроллера шаговые двигатели делятся на два типа:

1. Безконтроллерные. Используется Н-мостовая схема с возможностью менять полярность для реверса устройства. В зависимости от ситуации делается на микросхемном или транзисторном принципе. Сначала напряжение подается на мост, а, благодаря параллельно размещенным переключателям, осуществляется движение тока через обмотки мотора. Как результат, удается наладить вращение в любом направлении.
2. Контроллерные. Преимущество исполнения стоит в возможности управления шаговым агрегатом в разных режимах. В роли ключевого элемента выступает электронный блок, который выдает группу сигналов и задает последовательность их передачи. Во избежание повреждения при КЗ или другой аварии на моторе каждый вывод защищен с помощью диода, не пропускающего импульс в обратном направлении.

К наиболее популярным относится две схемы управления — от контроллера с дифференциальным входом и выходом вида «открытый коллектор».

Первый вариант отличается надежной защитой от помех с подключением прямого / инверсного сигнала к подходящим полюсам. Здесь обязательно экранирование провода, по которому подается сигнал. Это оптимальное решение для маломощных устройств.

Вторая схема отличается соединением «плюсовых» выходов контроллера, подключенных к «плюсовому» выводу. При подаче напряжения свыше 9 В требуется добавление сопротивления для снижения тока. Кроме того, с помощью такого решения можно задать нужное число шагов в определенном скоростном режиме и задать ускорение.

Драйвер шагового двигателя

Управление шаговым двигателем невозможно без применения драйвера — электронного устройства, обеспечивающего его работу с учетом сигналов управления.

Иными словами, это элемент схемы, предназначенный для управления обмотками мотора путем подачи цифровых сигналов.

Благодаря такой конструкции, обеспечивается вращение ротора ШД. Драйвер работает после подключения источника питания, обмоток самого устройства и источника управляющего сигнала.

В зависимости от вида драйвера могут решать ряд дополнительных задач:

• контроль перегрузки по току, повышения напряжения и переполюсовки;
• автоматическое снижение тока в случае длительного простоя;
• защита от эффекта обратной ЭДС;
• построение простых схем перемещения без использования компьютера (встроенный генератор частоты) и т. д.

Конструктивно драйвер состоит из контроллера и силовой части. Первая составляющая создана на базе микропроцессора и может программироваться, а вторая представляет собой полупроводниковый усилитель мощности, цель которого состоит в преобразовании подаваемых на фазы токовых импульсов.

Драйверы условно делятся на три категории (по типу доставки тока):

1. Постоянного напряжения. Подает высокий потенциал по очереди на каждую из обмоток. Суммарный ток зависит от сопротивления последних, а на больших оборотах — от индуктивности. Такие драйверы имеют низкую эффективность и могут применяться только на небольших скоростях.
2. Двухуровневые. Сначала подается напряжение, благодаря которому ток в обмотке поднимается до нужной величины, после чего источник потенциала выключается, а ток поддерживается источником низкого напряжения. Такие драйверы имеют более высокую эффективность и уменьшают нагрев моторов. Работают в режиме полного и половины шага.
3. ШИМ-типа. Пользуются наибольшим спросом, благодаря надежности и удобству управления. Их особенность состоит в подаче на обмотку ШИМ-сигнала высокого напряжения, отсекаемого небольшим током. Такие драйверы отличаются интеллектуальностью и возможностью программирования.

Кроме того, драйверы шаговых двигателей отличаются по типу. Они бывают аналоговыми, цифровыми и с энкодером. Поговорим о них более подробно.

Аналоговые

Отличаются высокой надежностью и эффективностью, благодаря сравнительно небольшому потреблению тока.

Задача таких устройств состоит в попеременной подаче импульса в разные обмотки статора с учетом заранее заданной программы. При этом обеспечивается определенный угол и направление вращения.

Плюсы аналоговых драйверов:

• низкая цена;
• защита от КЗ и высокого напряжения;
• автоматическое снижение тока;
• отсутствие риска случайного перегрева.

К основным моделям можно отнести:

1. CW-230. Предназначен для управления биполярным шаговым агрегатом на две фазы с максимальным током до 3 А. Мотор может управляться в режиме до 1/64 шага. Управление силовым узлом осуществляется с помощью трех сигналов, подаваемых на дифференциальные входы. Плюсы: низкая цена, изоляция входных сигналов, защита от ошибочного подключения, КЗ и высокого напряжения.
2. QJ Предназначен для управления биполярным ШД с двумя фазами и предельным током до 4,5 А. Доступно управление в режиме до 1/256 шага. Для управления применяется три сигнала, которые подают на входы PUL, DIF и ENA. Благодаря такой особенности, можно подключиться к LPT-порту ПК и успешно работать с программой ЧПУ станков. Плюсы: полный набор защит, автоматическое снижение тока, изолированные входные сигналы, доступная стоимость.
3. QJ6060AC — предназначен для управления 2-фазным шаговым двигателем. Наибольший параметр тока — до 6 Ампер на каждую из фаз. Доступно управление с 1/128 шага. Для управления применяется три сигнала (как в рассмотренной выше модели). Доступно подключение ШД для ЧПУ станков и ряда плоттеров.

Цифровые

Это более современные модели, работающие на базе цифрового управляющего сигнала. В основе лежит 32-разрядный процессор, повышающий характеристики применяемого оборудования.

ШД, работающие с таким драйвером, выделяет низкий уровень вибрации, минимальный нагрев, небольшой уровень шума.

Преимущества цифровых устройств:

• автоматическая настройка;
• высокая производительность;
• защита от перегруза;
• больший набор функций;
• максимальное деление по шагам;
• автоматическое уменьшение напряжения на ХХ и т. д.

1. 2DM542 — 2-фазное устройство, в основе которого лежит 32-битный процессор. Отличается привычным способом изменения тока, гарантирует высокий уровень производительности, оптимальный момент вращения, повышенное ускорение и стабильность. Благодаря улучшенным алгоритмам, гарантируется стабильность к изменениям нагрузки, оптимальное ускорение и необходимый момент вращения.
2. 2DM Как и рассмотренная выше модель, этот цифровой драйвер имеет 2-фазное исполнение и построен на 32-битном CPU. Его применение позволяет добиться большей плавности работы мотора, улучшить его производительность и момент вращения, добиться оптимального ускорения и стабильности к изменениям нагрузки. В модели предусмотрены встроенные устройства для самостоятельного тестирования и автонастройки.
3. Leadshine DM-805-AI. Особенность драйвера состоит в высокой степени плавности системы с гарантией оптимального момента вращения и стабильности работы устройства. Благодаря встроенной технологии самостоятельного тестирования и автоматической настройки, драйвер эффективно взаимодействует с разными типами моторов. При этом сам двигатель работает плавнее, меньше перегревается и почти не шумит. Для удобства поддерживается несколько рабочих режимов, имеется три встроенных потенциометра, позволяющие установить параметры разгона, скорости и торможения. Драйвер применяется для агрегатов типа NEMA-17-34 различных модификаций.

С энкодером

Такие драйвера представляют собой устройства, построенные на цифровом принципе и имеющие высокую реакцию. Применяются в качестве замены для более сложных систем управления, нуждающихся в высокой точности.

К особенностям относится:

• наличие обратной связи;
• поддержка момента и скорости вращения;
• гарантирование плавности передвижения и небольшого уровня шума;
• защита от токовых и иных перегрузок;
• уменьшение нагрева мотора и обеспечение его нормальной работы.

При использовании такого драйвера можно не бояться задержек в работе при сохранении максимального быстродействия.

К популярным моделям можно отнести:

1. 2HSS86H — 2-фазный цифровой серводрайвер, совмещающий функции шагового и сервопривода. Применяется для оборудования, нуждающегося в высоком моменте вращения, быстродействии, рентабельности и устойчивости при 0-ой скорости. Его применение гарантирует плавность и минимальную шумность шагового мотора.
2. CWDS860H — устройство нового поколения, совмещающее лучшие качества серво- и шаговых устройств. Гарантирует снижение вибрации, уменьшение шумности и большую точность позиционирования. Благодаря равномерности работы и высокой скорости реакции эта модель подходит для программ, нуждающихся в быстром перемещении на небольшие расстояния и требующие плавности в работе. Особенности модели: устойчивость при 0-ой скорости, быстродействие и рентабельность.
3. HBS57 — альтернативный вариант для программ, нуждающихся в высокой производительности и повышенной надежности (там, где применяется сервопривод). В состав системы входит 3-фазный шаговый и цифровой быстродействующий драйвер. Устройство отличается высокой скоростью реакции и отсутствием рыков. Двигатель меньше греется, имеет меньший уровень шума и работает без задержек.

Кроме рассмотренных выше, бывают и другие типы драйверов, но они применяются реже.

Читайте также:

Электромагнитный замок — установка и подключение своими руками на пластиковую, металлическую, стеклянную дверь, калитку, ворота

Что такое многоосевые контроллеры

Простыми словами, многоосевые контроллеры — современные устройства с вмонтированными микропроцессорами и интегральной программируемой схемой.

Отличаются небольшими размерами и простой управления. Применяются для точного позиционирования агрегатов по двум и более осям.

Главная сфера применения — автоматизация станочного шагового двигателя, оборудованного многоординатными электрическими приводами. Их особенность состоит в поддержке нескольких языков и способности управления в режиме онлайн.

• изолированные цифровые входа/выхода;
• высокий уровень производительности;
• поддержка ведомых/ведущих устройств;
• опция удаленного управления контроллером;
• поддержка интерполяции (круговой, линейной);
• большой набор цифровых и аналоговых входов/выходов, портов Интернет и ШИМ выходов.

1. PoKeys57CNC — контроллер ЧПУ с восьмью осями для программ Mach3 и Mach Его особенность состоит в поддержке работы по USB- и Ethernet-интерфейсу. Для управления применяются стандартные сигналы STEP и DIR, предусмотрено до восьми драйверов шагового типа. Модель совмещается с энкодерами, ручным пультом управления, LCD-дисплеем, а также конечными выключателями. Имеется два релейных и четыре транзисторных выхода, возможность увеличения количества выходов, поддержка Modbus TSP и т. д.
2. Leadshine SMC6480 — контроллер, предназначенный для позиционного управления на базе микропроцессора. В его структуру входит логическая интегральная схема, предназначенная для отправки импульсов, контроля процесса разгона и торможения, обработки входов и выходов. Устройство способно воспроизводить импульсы с частотой до 5000 кГц и выдерживать интерполяцию до четырех осей (линейную) и до двух осей (круговую). Предусмотрены индивидуальные входы / выходы аналогового и цифрового типа, ручной вход и ШИМ выход.

Кроме многоосевых контроллеров можно найти и другие устройства, к примеру, высоты плазмы. Они контролируют наличие рабочей дуги плазмы и подают команду на основную плату ЧПУ для перемещения резака.

Драйвер шарового двигателя своими руками

При желании драйвер для шарового двигателя можно сделать самостоятельно, но при условии покупки необходимого оборудования. Для начала определитесь, какой тип ЩД у вас в руках.

В биполярном устройстве всего две обмотки, поэтому количество отходящих проводов будет четыре. В униполярном двигателе обмоток больше, поэтому и количество выводов соответствующее.

Схема управления биполярным двигателем состоит из нескольких элементов:

1. Генератор импульсов.
2. Коммутатор.
3. Силовые ключи, управляющие обмотками моторов.

Генератор собирается на базе микросхемы 555 по обычной схеме. Каждый импульс, которые выдается генератором, обеспечивает перемещение мотора на один шаг.

Коммутатор собирается на базе микросхемы 4013, а силовая часть — L239D (микросхема-драйвер).

В роли источника питания применяется две батарейки, обеспечивающие напряжение, равное пяти вольтам. После включения питания генератор подает импульсы, частоту которых можно менять с помощью корректировки сопротивления генератора.

В зависимости от применяемой схемы можно использовать реверс или подключать ШД без него.

Для обеспечения реверса собирается такая же цепочка с той разницей, что на выходе из коммутатора можно будет менять полярность на обмотках. Иными словами, при изменении принципа подключения меняется и направление вращения.

В схеме с реверсом применяется два драйвера коллекторных двигателей FAN 8082. После включения ШД можно нажимать переключатель, чтобы вращение шло в другом направлении.

Вместо генератора можно подключить тактовую кнопку, с помощью которой легко избежать дребезга контактных групп. При желании можно даже посчитать число шагов двигателя, если это необходимо.

Особенности первого драйвера L293D (для первой схемы):

• Напряжение устройства от +5 до +15 В.
• Размер платы 60х21 мм.
• Максимальный ток 1,2 А, но на практике при токе больше 0,5 А схема начинает греться.
• Объединяемые вывода — 4, 5, 12, 13.

Особенности второго драйвера FAN 8082 (для второй схемы):

• Напряжение устройства от +5 до +15 В.
• Максимальный ток — 1,6 А.

В отличие от прошлого устройства, этот тип драйвера лучше справляется с нагрузкой. При желании, как отмечалось выше, можно использовать гаситель дребезга контактов.

Особенности шаговых двигателей с редуктором: что это, какие бывают

Шаговые двигателя с редуктором — устройства, комплектуемые цилиндрическим или червячным дополнительным механизмом (редуктором). Кратко рассмотрим особенности каждого из вариантов.

С червяным редуктором

ШД с редуктором червячного типа гарантируют больший момент вращения и активно применяются для станков с ЧПУ и устройств автоматизированного производства. Коэффициент редукции составляет от 1 к 10 до 1 к 60. Привод идет в комплекте, но без выходного вала.

Червячная передача полезна в случае, когда необходимо добиться высокого момента вращения при минимальной угловой скорости.

Особенность шаговых моторов с рассматриваемым типом редуктора отличается следующими плюсами:

• высокий КПД;
• сравнительно большая нагрузочная способность;
• минимальный люфт выходного вала;
• стабильная работа при пульсирующих режимах;
• плавность хода;
• точная фиксация позиции, благодаря опции самоторможения;
• компактность.

Устройства с червячным мотором отличается простой конструкцией и сравнительно небольшой ценой. При выборе необходимо учесть коэффициент редукции, габариты и будущий режим использования.

1. ШД-57 мм с червячным редуктором. Могут быть необслуживаемые и с самостоятельным торможением. Поставляются без вала выходного типа. Одинарный или входной вал можно купить отдельно. Модели — PL57WG76-10 (20, 40, 60) с редукцией 1 к 10, 1 к 20, 1 к 40 и 1 к 60 соответственно.
2. ШД-86 мм с червячным редуктором. Здесь условия такие же, как и в рассмотренном выше варианте. Модели — PL86WG118-10 (20, 40, 60) с редукцией 1 к 10, 1 к 20, 1 к 40 и 1 к 60 соответственно.

С цилиндрическим редуктором

Шаровые двигатели, оборудованные редуктором цилиндрического типа — стандартные устройства, имеющие несколько обмоток, где ток, подаваемый в любую из обмоток статора, вызывает движению ротора.

Последовательная активация обмоток приводит к дискретным угловым перемещениям.

Особенности таких моторов:

• высокий КПД;
• небольшая нагрузочная способность;
• минимальный люфт на выходном валу;
• стабильная работа даже в пульсирующих режимах.

1. Униполярные. Бюджетное решение, построенное на магнитах. Устройство изготовлено из шестеренок, сделанных из пластика, а управление возможно с помощью ULN Подходит для применения с наборами Arduino в системах DIY. Модели — 28BYJ-48-12 или 28BYJ-48-5. Отличаются только сопротивлением. В первом случае 90, а во втором 30 Ом.
2. ШД-57 мм (NEMA 23). Шаровые моторы на 57 м с редуктором цилиндрического типа. Момент на выходном валю — до 3 Н*м, а люфт до 1 градуса. Востребованные модели — PL57GH76-3D8, PL57GH76-5D8, PL57GH76-10D8, PL57GH76-20D8, PL57GH76-50D8.
3. ШД-86 м (NEMA34). 86-миллиметровые агрегаты с люфтом до 1 градуса и моментом на выходе до 20 Н*м. Популярные модели — PL86GH113-3D14, PL86GH113-5D14, PL86GH113-10D14, PL86GH113-20D14, PL86GH113-50D14.

Дополнительные варианты: FL86STH65-2808AG3 / -BG3, FL86STH65-2808AG5 / -BG5, FL86STH65-2808AG12.5 / -BG12.5, FL86STH65-2808AG25 / -BG25, FL86STH65-2808AG50 / -BG50 и другие.

Трехфазные шаговые двигатели

Главная особенность 3-фазных шаговых моторов — возможность подключения к трем фазам постоянного тока. Они применяются в оборудовании, нуждающемся в более точном позиционировании, минимальных вибрациях и низком уровне шума. В остальном сфера использования таких ШД ничем не отличается.

• угловой шаг — 1,2 градуса;
• сопротивление фазы — от 0,24 до 1,4 Ом;
• индуктивность — от 0,267 до 9,82 мГн.

Плюсы 3-фазных ШД:

• равномерный момент;
• улучшенные параметры разгона и торможения;
• сохранение рабочего момента на больших оборотах;
• минимальная шумность;
• низкая вибрация.

При выборе необходимо учитывать рабочий ток, угловой шаг, момент, индуктивность и зависимость момента / скорости. Также необходимо учесть параметры вала (его диаметр).

Шаговые двигатели для 3D принтера

ШД для 3D принтера — небольшие устройства, отличающиеся малым весом и минимальным моментом вращения. Наиболее востребованы модели NEMA17, отличающиеся шагом в 1,8 градуса. Благодаря такой особенности, можно с большей точность настроить позиционирование устройства.

При выборе ШД для 3D принтера обратите внимание на следующие параметры:

• вес и размеры;
• диаметр вала — должен подходит для 3D-принтера по конструктивным особенностям;
• момент удержания — оптимально 2,5-4 кг;
• номинальный ток — лучший вариант 1,7 А.

Популярные модели — Nema 17, 42HM34-1334 (0.9°), Nema 23, 57HS41-2804, Nema 8, 20HS38-0604, Nema 17, 42HM48-1684 (0.9°), Nema 17, 17HS4401 с редуктором 27:1 и т. д.

Итоги

Шаговый двигатель — универсальное устройство, имеющий широкий спектр применения и отличающийся улучшенными характеристиками. Его можно использовать станках с ЧПУ, периферийных устройствах и даже 3D-принтерах. Но для правильного выбора нужно знать несколько моментов: особенности, характеристики и правила подключения.

Источник https://radio-blog.ru/master/theory/kak-upravlyat-shagovym-dvigatelem-bez-kontrollera/

Источник https://www.asutpp.ru/shagovyy-dvigatel.html

Источник https://elektrikexpert.ru/shagovye-dvigateli-tipy-ustrojstvo-i-princip-raboty.html