Шаговый двигатель схема подключения

Шаговый двигатель схема подключения

Шаговые электродвигатели (ШД) с электронной схемой управления, называемые дискретным приводом [2], появились в 50-х годах. До этого шаговые электродвигатели применялись в исполнительных устройствах дистанционных передач с механическим (коллекторным) коммутатором [7].

Развитие электроники и полупроводниковой техники позволило создать малогабаритные и надежные схемы электронных коммутаторов для управления скоростью ШД. Это предопределило применение ШД в автоматическом приводе и системах управления.

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ И ТИПЫ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Электрические шаговые двигатели подразделяются на две группы:

с кинематической связью между ротором и статором (храповые устройства);

с электромагнитной связью между ротором и статором (синхронные электродвигатели).

В настоящей работе рассматриваются исполнительные устройства с синхронными шаговыми электродвигателями. Машины с кинематической связью между ротором и статором имеют существенно меньшие быстродействие и срок службы. Шаговый электродвигатель совместно с коммутатором для управления следует отнести к системам частотного регулирования синхронного электродвигателя с возможностью изменения частоты до нуля.

Аналогом шагового электродвигателя является также обращенная машина постоянного тока с независимым вращением щеток коллектора. При этом в приводе с шаговым электродвигателем электронный коммутатор выполняет функцию коллектора с вращающимися щетками.

Шаговые (синхронные) электродвигатели могут обеспечить устойчивое регулирование скорости от нуля до максимальной. Шаговый электродвигатель отличается от обычного синхронного в основном формой тока в фазовых (управляющих) обмотках.

Конструктивно электродвигатель для получения высоких динамических показателей должен быть выполнен с малым значением момента инерции ротора и электромагнитных постоянных времени управляющих

(фазных) обмоток. В большинстве случаев электродвигатель выполняется с большим числом полюсов как при реактивном, так и при активном исполнении ротора. Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, — прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений в фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре электродвигателя. Вследствие этого движение ротора слагается из последовательности элементарных угловых (или линейных) перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

Шаговые электродвигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование унитарного кода в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фикстрованный угол — шаг электродвигателя, величина которого строго определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Скорость вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу импульсов управления.

В отличие от синхронных электродвигателей ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя без скольжения и торможение без выбега ротора. Благодаря этому они обеспечивают в рабочем диапазоне частот пуск, остановку и реверс без потери информации, т. е. без пропуска шагов. Наиболее легким для дискретного привода является режим плавного изменения частоты. В этом случае область частот, в которой привод устойчив, значительно расширяется. При изменении последовательности управляющих импульсов по произвольному закону ШД работает в режиме слежения, воспроизводя с точностью до одного шага сложное движение, заданное последовательностью импульсов.

При отсутствии сигнала на входе электронного коммутатора (частота командных импульсов равна нулю) ШД развивает фиксирующий момент, «запоминая» конечные координаты углового перемещения с точностью до долей шага. Таким образом, дискретный привод с ШД является синхронным следящим приводом, сочетающим в себе возможности глубокого частотного регулирования скорости вращения (до нуля) и числового задания перемещения.

На выходе ШД может устанавливаться усилитель момента, обычно представляющий собой автономную следящую систему [7]. В этом случае ШД выполняет функцию преобразования импульсного сигнала в угловое или линейное перемещение задающего элемента этой следящей системы (поворотного трансформатора, сельсина, золотника гидроусилителя и т. д.).

Привод с шаговыми электродвигателями можно подразделить на две группы:

привод с силовым ШД; динамические и статические характеристики системы в целом определяются ШД [11];

привод с шаговым серводвигателем, воздействующим на следящую систему (усилитель момента); динамические характеристики привода

определяются параметрами следящей системы, обладающей меньшим быстродействием, чем шаговый двигатель.

В промышленности нашли применение обе группы исполнительных устройств:

в электроприводе с дискретным перемещением регулирующего органа или элемента (привод стартстоповых лентопротяжных механизмов, затворы, дискретные перемещения командных аппаратов, строгальных станков и т. п.);

в электроприводе, где управляющий сигнал имеет дискретный характер, т. е. задается в виде последовательности импульсов (импульсные системы числового программного управления станками,

синхронные импульсные валы, устройства с электронной кинематикой и т. д.).

Рис. VI. 1. Структурная схема дискретного привода: 1 — электронный коммутатор; 2 — силовые усилители; 3 — шаговый двигатель; 4 — устройство управления ШД; 5 — источник постоянного тока

Требуемые быстродействие, точность, устойчивость в заданной полосе частот и степень дискретности (величина шага квантовая) обеспечиваются выбором типа шагового привода.

Схема управления ШД состоит из электронного коммутатора, который имеет выходных усилителей, равное числу фаз и силовых усилителей (рис. VI. 1). Схемы электронных коммутаторов определяются числом управляемых обмоток ШД и обычно используют кольцевой реверсивный счетчик. Электронный коммутатор имеет два входа для обеспечения реверса ШД. Сигналы на вход коммутатора поступают от программирующего устройства.

Типы шаговых электродвигателей. По принципу действия серийные ШД можно подразделить на три типа: магнитоэлектрические, индукторные и реактивные.

Магнитоэлектрические ШД имеют ротор, выполненный в виде постоянного магнита-звездочки литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Многофазную обмотку размещают в полузакрытых пазах статора. При многополюсйом исполнении числа пазов на один полюс и фазу Для подавления гармонических составляющих синхронизирующего момента пазы статора выполняют со скосом, т. е. их направление не совпадает с образующей.

В магнитоэлектрических ШД с двухфазной обмоткой применяют разнополярную коммутацию. К обмоткам приложены соответствующие прямоугольные напряжения, сдвинутые на град. Основной принята четырехтактная коммутация с парным включением обмоток, которую символически запишем следующим образом:

Возможна четырехтактная коммутация с поочередным включением одной обмотки:

При этом вращающий момент на валу двигателя снижается в 2 раза.

Кроме того, применяется восьмитактная комбинированная система коммутации:

Эта коммутация позволяет вдвое уменьшить величину шага и вдвое увеличить частоту управляющих импульсов.

Четырехфазная обмотка является вариантом двухфазной. Обе фазы расщеплены. При подключении к электронному коммутатору фазы соединяются в четырехлучевую звезду с общей точкой. Применяется однополярная коммутация:

основная — четырехтактная парная

дополнительная — четырехтактная поочередная

дополнительная — восьмитактная комбинированная

Рис. VI.2. Магнитная система четырехфазного индукторного однопакетного ШД

Магнитоэлектрические ШД с трехфазной обмоткой требуют шеститактной разнополярной коммутации:

при соединении обмоток в треугольник —

при соединении обмоток в

Трехфазные ШД допускают также комбинированную -тактную коммутацию.

Кроме того, магнитоэлектрические ШД могут иметь фиксирующий реактивный момент при обесточенных обмотках. Обычно этот момент составляет 10% от величины максимального статического синхронизирующего момента. Электродвигатели с внутренней магнитной фиксацией положения ротора обеспечивают сохранение информации в системе при отключении источника питания в периоды пауз между циклами работы. Магнитоэлектрические ШД изготовляются также с большим числом фаз.

Индукторные ШД имеют ферромагнитный зубчатый ротор из магнитомягкой электротехнической стали. Магнитная система ШД с подмагничиванием показана на рис. VI.2 . Гребенчатые зубцовые зоны на полюсах статора предусматриваются для двигателей с малым шагом. Штриховыми линиями на рис. VI.2 показано магнитное силовое поле ШД.

Ротор четырехфазного индукторного ШД возбуждается со стороны статора постоянной составляющей тока в фазах. Возбуждение ротора может обеспечиваться также постоянными магнитами статора или отдельной обмоткой возбуждения, включенной на напряжение источника

постоянного тока. При наличии отдельного контура возбуждения на статоре индукторные ШД выполняются двухфазными с разнополярной коммутацией.

Четырехфазная обмотка соединяется в звезду с общей точкой и размещается в пазах статора. Коммутация однополярная — такая же, как и для четырехфазных ШД с активным ротором. Возможна, кроме того, восьмитактная коммутация с одновременным возбуждением двух или трех обмоток:

Эта система коммутации энергетически менее выгодна, но обеспечивает лучшее внутреннее демпфирование колебаний ротора.

Индукторные электродвигатели выполняются обычно с малой величиной шага.

Реактивные ШД по конструкции аналогичны индукторным, однако они не имеют возбуждения постоянной составляющей фазного тока со стороны статора от постоянных магнитов. Статор трехфазного реактивного ШД имеет шесть полюсных выступов с гребенчатыми зубцовыми зонами. Обмотка статора трехфазная, соединяется в звезду с выведенной общей точкой (каждая фаза может иметь также два независимых вывода).

Трехфазные реактивные ШД допускают как однополярную, так и разнополярную коммутацию. Используется однополярная шеститактная коммутация, являющаяся основной для этого типа

При увеличении числа полюсов ШД использование активной поверхности ротора ухудшается из-за увеличения межполюсных зон. Поэтому во всех типах ШД, наряду с основными конструкциями, применяются многопакетные или многостаторные, а также другие модификации. На рис. VI.3 приведена конструкция двухпакетного магнитоэлектрического ШД. Электродвигатель представляет собой двухпакетную машину с шестифазной распределенной обмоткой на каждом пакете (рис. VI.3, б). Пакеты 1 и 4 статора смещены друг относительно друга на 0,5 зубцового деления. Ротор 12 является активным с возбуждением от постоянных магнитов 11. Применение постоянных магнитов из сплава с монокристаллической структурой и высокой магнитной энергией позволяет существенно улучшить динамическую добротность, снизить колебательность, уменьшить габаритные размеры ШД.

Для демпфирования колебаний на валу ротора предусмотрен инерционный демпфер сухого трения. Характеристики привода с рассматриваемым электродвигателем приведены в работе [8].

Двухпакетную конструкцию имеют также реактивные шестифазные электродвигатели малой мощности. Каждая фаза ШД может выполняться на отдельном пакете магнитопровода (рис. VI.4). Обмотки фаз выполняют тороидальными, такую конструкцию магнитопровода ШД применяют в основном в малых шаговых двигателях. Промышленное применение нашли ШД с дисковым ротором и торцовым расположением полюсов (рис. VI.5). Двигатели этой конструкции имеют мощность до и более.

(кликните для просмотра скана)

Наряду с ШД вращающегося типа в отдельных исполнительных устройствах применяются линейные и плоскостные ШД.

Рис. VI.4. Конструктивная схема шестифазного, шестипакетного ШД: 1 — клеммная колодка; 2 — диамагнитные втулки; 3 — зубцы ротора; 4 — диски полюсов с зубцами; 5 — тороидальные фазные обмотки; 6 — ферромагнитный корпус статора

Линейные ШД позволяют существенно упростить кинематическую цепь привода, устраняя необходимость в шариковых парах типа винт-гайка, а также в промежуточных передачах.

Рис. VI.5. Конструкция пятифазного ШД с дисковым ротором: 1 — вал ротора; 2 — корпус статора; 3 — магнитопровод фазы; 4 — обмотка фазы; 5 — зубцы полюсов статора; 6 — ротор; 7 — инерционный демпфер; 8 — фрикционный элемент демпфера; 9 — пружина демпфера

Принцип действия ШД с поступательным перемещением можно пояснить с помощью рис. VI.6. Двигатель имеет пять фаз, представляющих собой обособленные магнитные системы со сдвигом зубцов на полюсного деления.

Для управления применяется десятитактная коммутация; схема коммутации обмоток:

Работу индукторного линейного ШД с постоянными магнитами можно пояснить с помощью рис. VI.7. Полуобмотки фазы, расположенные на соседних полюсных выступах, включены встречно. Полюса жестко связаны с постоянным магнитом. В исходном состоянии включена обмотка 1-й фазы. Магнитный поток полюсного выступа а направлен навстречу магнитному потоку,

постоянного магнита, а магнитный поток полюсного выступа совпадает с ним.

Рис. VI.6. Принцип действия линейного реактивного ШД: 1 — зубчатая ферромагнитная линейка; 2 — полюса статора

В результате суммарный магнитный поток под полюсным выступом а равен нулю. В полюсном выступе магнитные потоки электромагнита и постоянного магнита суммируются; в полюсном выступе магнитные потоки обусловлены только постоянным магнитом и их тяговые усилия взаимно уравновешиваются.

Рис. VI.7. Линейный ШД с постоянными магнитами. 1 — плита с зубцами-площадками; 2 — подвижная система; 3 — постоянный магнит; 4 — полюса

Под действием магнитного потока подвижный элемент занимает положение, соответствующее наибольшей магнитной проводимости зубцовой зоны (см. рис. VI.7, 1-й такт коммутации).

В следующем такте коммутации 1-я фаза обесточена, а 2-я фаза включена с полярностью, указанной на рис. VI.7 (2-й такт). Под

действием магнитного потока подвижный элемент перемещается на зубцового деления. На этом же рисунке показано положение подвижного элемента и распределение магнитных потоков в 3-м и 4-м тактах коммутации.

Рис. VI.8. Схема размещения подвижной системы плоского индукторного ШД: 1 — плита; 2 — подвижная система ШД; 3 — полюса продольного смещения; 4 — полюса поперечного смещения

Плоский ШД (рис. VI.8) позволяет осуществить перемещение по двум линейным координатам без кинематических связей. Двигатель состоит из плиты с зубцами-площадками. На плите установлена головка с двумя полюсными системами, оси которых взаимно перпендикулярны. Это позволяет реализовать перемещение в плоскости с шагом, определяемым зубцовым делением. Головка перемещается на воздушной подушке.

Драйверы шаговых двигателей A4988 и DVR8825

В статье мы разберем режимы управления вращением шаговых двигателей. Подробно рассмотрим подключение драйвера A4988.

Шаговые моторы имеют три режима управления вращением: полношаговый, полушаговый и микрошаговый.

Во время полношагового режима шаговые моторы для поворота мотора на 360 градусов делают 200 шагов, во время полушагового — 400, а во время микрошагового возможно делить шаг на 4, 8 и даже 16 частей. Техника управления микрошаговым режимом сложна, поэтому многие производители станков ЧПУ (CNC) и качественных 3D принтеров стали изготавливать специальные контроллеры для управления шаговыми двигателями, часто называемых драйверами шаговых моторов. Ещё их называют StepStick.

Функционирование специальных контроллеров управления (драйверов шаговых двигателей) происходит следующим образом: вначале напряжение питания поступает на шаговый двигатель, затем на логическую часть драйвера шаговика, после этого задается направление вращения и команда (ШАГ) по управляющим контактам на двигателе. Во время команды (ШАГ) шаговый мотор получает необходимое напряжение, которого достаточно для передвижения ротора на один микрошаг (полушаг или шаг) – это зависит от предварительных установок, заданных заранее специальными перемычками на RAMPS 1.4.

Зачастую у продаваемых контроллеров шаговых двигателей (например: RAMPS 1.4) предустановлен режим микрошага 1/16. Чтобы регулировать подаваемое на шаговый мотор напряжение питания, на котроллере RAMPS 1.4 установлен специальный переменный резистор. Он является важным элементом, поскольку шаговики могут быть под 8V, 4V, 12V и д.р.

Для платы RAMPS 1.4 выпускают два вида драйверов A4988 и DVR8825. Они отличаются током, выдаваемым на шаговый двигатель и минимальным микрошагом.

И не только. Выпускаются несколько других драйверов шаговых двигателей, которые могут быть использованы в качестве альтернативы. Например, у драйвера шагового двигателя Pololu A4988 Black Edition производительность на 20% выше. Есть также большая версия драйвера на A4988, которая имеет защиту от обратной мощности на главном входе питания, а также встроенной 5 В и 3.3 В стабилизаторы напряжения, которые устраняют необходимость в покупке отдельного питания для логики и двигателей. Платы на DRV8825 предлагают на около 50% более высокую производительность в более широком диапазоне напряжений и с несколькими дополнительными функциями, в то время как платы на DRV8834 работают с двигателями с напряжением питания от 2.5 В. Любую из этих плат можно использовать в качестве драйвера во многих приложениях.

Рассмотрим драйвер A4988.

Характеристики драйвера A4988

• Максимальный ток 2 A
• Минимальный микрошаг 1/16 шага

Величина тока регулируется подстроечным резистором на драйвере. Вращение по часовой стрелке — повышение тока. Вращение против часовой стрелки — понижение величины тока.

Установка микрошага производится перемычками установленными на RAMPS 1.4

Схема драйвера A4988

Подключение драйвера A4988

Для работы с драйвером A4988 необходимо питание логического уровня (3 — 5.5 В), подаваемое на выводы VDD и GND, а также питание двигателя (8 — 35 В) на выводы VMOT и GND. Чтобы обеспечить необходимый потребляемый ток (при пиковых до 4 А), необходимо поставить конденсаторы для гальванической развязки как можно ближе к плате.

Внимание: В плате используются керамические конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением, что делает её уязвимой для индуктивно-ёмкостных скачков напряжения, особенно если питающие провода длиннее нескольких сантиметров. В некоторых случаях, эти скачки могут превысить максимально допустимое значение (35 В для A4988) и повредить плату. Одним из способов защиты платы от подобных скачков является установка большого (не меньше 47 мкФ) электролитического конденсатора между выводом питания (VMOT) и землёй близко к плате.

При правильном подключении, через Pololu A4988 можно управлять четырёх-, шести- и восьми- проводными шаговыми двигателями.

Внимание: Соединение или разъединение шагового двигателя при включённом драйвере может привести к поломке двигателя.

Установка микрошага

У шаговых двигателей обычно установлена конкретная величина (например 1,8° или 200 шагов на оборот), при которой достигается полный оборот в 360°. Микрошаговый драйвер, такой как A4988 позволяет увеличить разрешение за счёт возможности управления промежуточными шагами. Это достигается путём возбуждения обмоток средней величины тока. Например, управление мотором в режиме четверти шага даст двигателю с величиной 200-шагов-за-оборот уже 800 микрошагов при использовании разных уровней тока.

Разрешение (размер шага) задаётся комбинациями переключателей на входах (MS1, MS2, и MS3). С их помощью можно выбрать пять различных шагов, в соответствии с таблицей ниже. На входы MS1 и MS3 переключателя установлены 100 кОм подтягивающие на землю резисторы, а на MS2 — 50 кОм, и если оставить их не подключёнными, двигатель будет работать в полношаговом режиме. Для правильной работы в режиме микрошага необходим слабый ток (см. ниже), который обеспечивается ограничителями по току. В противном случае, промежуточные уровни будут некорректно восприниматься, и двигатель будет пропускать микрошаги.

Обычно для домашних 3D принтеров и станков ЧПУ используются драйверы A4988 с микрошагом 1/16. Для этого все перемычки на плате RAMPS 1.4 должны быть установлены на свои гнезда.

Входы управления

Каждый импульс на входе STEP соответствует одному микрошагу двигателя, направление вращения которого зависит от сигнала на выводе DIR. Обратите внимание, что выводы STEP и DIR не подтянуты к какому-либо конкретному внутреннему напряжению, поэтому вы не должны оставлять эти выводы плавающими при создании приложений. Если вы просто хотите вращать двигатель в одном направлении, вы можете соединить DIR непосредственно с VCC или GND. Чип имеет три различных входа для управления состоянием питания: RST, SLP и EN. Обратите внимание, что вывод RST плавает; если вы его не используете, вы можете подключить его к соседнему контакту SLP на печатной плате, чтобы подать на него высокий уровень и включить плату.

Ограничение тока

Для достижения высокой скорости шага, питания двигателя, как правило, гораздо выше, чем это было бы допустимо без активного ограничения тока. Например, типичный шаговый двигатель может иметь максимальный ток 1 А с 5 Ом; сопротивлением обмотки, отсюда максимально допустимое питание двигателя равно 5 В (U=I*R). Использование же такого двигателя с питанием 12 В позволит повысить скорость шага. Однако чтобы предотвратить повреждение двигателя, необходимо ограничить ток до уровня ниже 1 А.

Драйвер A4988 поддерживает активное ограничение тока, которое можно установить подстроечным потенциометром на плате.

Один из способов установить предельный ток — подключить драйвер в полношаговый режим и измерять ток, протекающий через одну обмотку двигателя без синхронизации по входу STEP. Измеренный ток будет равен 0,7 части предельного тока (так как обе обмотки всегда ограничиваются примерно на 70% от текущей настройки предельного тока в полношаговом режиме). Учтите, что при изменении логического напряжения Vdd, на другое значение, изменит предельный ток, поскольку напряжение на выводе «ref» является функцией Vdd.

Еще один способ установить предельный ток – измерить напряжение на выводе «ref» и вычислить полученное ограничение тока (резисторы SENSE равны 0,05 Ом). Напряжение вывода доступно через металлизированное сквозное отверстие (в кружке на шёлкографии печатной платы). Ограничение тока относится к опорному напряжению следующим образом:

Current Limit = VREF × 2,5

Например: опорное напряжение равно 0,3 В, предельный ток 0,75 А. Как упоминалось выше, в режиме полного шага, ток через катушки ограничен 70% от текущего предела, поэтому, чтобы получить полный шаг тока катушки в 1 А, текущий предел должен быть 1 A / 0,7 = 1,4 А, что соответствует VREF 1,4 A / 2,5 = 0,56 В. Смотрите спецификацию A4988 для получения дополнительных сведений.

Примечание: Ток обмотки может сильно отличаться от тока источника питания, поэтому не следует измерять ток на источнике питания, чтобы установить ограничение тока. Подходящим местом для измерения тока является одна из обмоток вашего шагового двигателя.

Величину тока на драйвере шагового мотора настроить и опытным путём. Необходимо устроить прогон 3D принтера на высокой скорости по всем координатам. Оптимальным считается, когда шаговые двигатели уже не гудят и ещё не пропускают шаги.

Внимание: При регулировке тока подстроечным резистором на драйвере A4988. Вращение по часовой стрелке — повышение тока. Вращение против часовой стрелки — понижение величины тока.

Максимально допустимый ток подаваемый на обмотку, у микросхемы A4988 равен 2 A. Фактический ток, который можно подать на плату, зависит от качества охлаждения микросхемы. Плата разработана с учётом отвода тепла от микросхемы, но при токе выше 1 A на обмотку необходим теплоотвод или другое дополнительное охлаждение.

Внимание: плата драйвера может нагреться так, что можно получить ожог, задолго до того как перегреется сама микросхема. Будьте осторожны при обращении с платой и со всеми подключёнными к ней устройствами.

Обратите внимание, что ток, измеренный на источнике питания, как правило, не соответствует величине тока на обмотке. Так как напряжение, подаваемое на драйвер, может быть значительно выше напряжения на обмотке, то, соответственно, измеряемый ток на источнике питания может быть немного ниже, чем ток на обмотке (драйвер и обмотка в основном работают в качестве переключаемого источника с пошаговым понижением питания). Кроме того, если напряжение питания намного выше необходимого двигателю уровня для достижения требуемого тока, то скважность будет очень низкой, что также приводит к существенным различиям между средним и RMS током (среднеквадратичное значение переменного тока).

Шаговый двигатель для "чайников"

Как и все двигатели, шаговые двигатели состоит из статора, ротора. Ротор представляет собой набор постоянных магнитов, а статор имеет катушки. схематично шаговый двигатель будет выглядеть следующим образом:

Это 4 катушки расположенные под углом 90 ° между собой. В приведенном выше рисунке, катушки не связаны друг с другом. 1 шаг такого двигателя будет равен 90 градусов. ток на катушки подается в циклическом порядке, один за другим. Направление вращения вала определяется в какой последовательности запитываются катушки. Следующая анимация показывает шаговый двигатель в работе. на катушки подается напряжением с интервалом 1 с. Вал вращается 90 градусов каждый раз, когда очередной виток включается:

Режимы работы
В этом разделе я объясню более подробно.
Волновой Привод или Single-Coil (подключение одной обмотки)
Single-Coil означает, что только одна катушка находится под напряжением. Этот метод используется редко, как правило, когда не требуется экономия энергии. данный режим включения обеспечивает менее половины номинального крутящего момента двигателя.

Этот мотор будет иметь 4 шага на полный оборот, то есть номинальное количество шагов в цикле.

Полный шаг
Второй и наиболее часто используемый метод, Полный шаг. Согласно этому методу, катушки запитываются попарно. т.к. соединение обмоток (последовательно или параллельно) двигателя потребуется удвоить напряжение или ток в два раза для работы, которую необходимо при движении с Single-Coil возбуждения. Данный метод дает 100% номинального момента двигателя.
Этот мотор будет иметь 4 шага на полный цикл, то есть номинальный ряд шагов в цикле.

Полушаг
Это очень интересный способ для достижения двойной точности системы позиционирования, не меняя ничего из оборудования! Согласно этому методу, все катушки могут находиться под напряжением, одновременно, заставляет ротор занимать промежуточное положение. Следующие картинка пояснит:
вращение шагового двигателя

полушаг две катушки запитываются

С помощью этого метода, так же двигатель будет иметь в два раза больше шагов, таким образом удвоить точность позиционирования. Например, этот мотор будет иметь 8 шагов в цикле!

Микрошаговый
Microstepping является наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями в настоящее время. Идея микрошагового режима, заключается в том что напряжение подается не импульсами, но сигналом похожим на ступенчатую синусоиду. Таким образом, позиционирование от одного шага к другому более плавным, что делает двигатель шаговый подходит для использования для приложений с высокой точностью, таких как системы с ЧПУ позиционирования. Кроме того, шаговый двигатель работает более плавно. С микрошагом, шаговый двигатель может вращаться почти непрерывно, как и простые двигатели постоянного тока.
Вот несколько примеров:

Принцип работы и управления униполярного шагового двигателя

Шаговым двигателем называют электромеханическое устройство, преобразующее электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. Применение шаговых двигателей позволяет рабочим органам машин совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения.

Применяются в станках с ЧПУ, робототехнике, где требуется дискретные движения, фиксация положения и небольшая скорость.

Отличие и разновидности шаговых двигателей

По принципу работы они ближе к двигателям постоянного тока. Конструкция электродвигателей постоянно совершенствуется для уменьшения трудозатрат при изготовлении, повышения КПД и увеличения количество оборотов. У них по сравнению с двигателем постоянного тока нет щёток, коллектора, а обмотки с меньшим количеством витков.

Среди первых двигателей был создан миниатюрный двигатель для ручных часов и назван в честь французского инженера Мариус Лавета. Статор расцеплен на краях или в районе ротора имеет небольшие сужения. Ротор диаметром 1.5 мм, магнитный на основе кобальта. Одна обмотка в один ряд питание 1.5 вольта. Угол поворота 90 градусов.

Моторчик лавета применяется также и в медицине для перекачки различной жидкости, а также часто используется в миксерах и блендерах.

В последнее время ведутся разработки пьезоэлектрических двигателей с использованием пьезомагнитного эффекта и применяя в конструкции ферромагнитные материалы. Совершенствуются линейные электродвигатели, у которых вал не вращается, а совершает линейные движения. Для оборудования точной механики российские производители выпускают двигатели с маркировкой серии:

ДШ.
1. ДШР.
2. ДШГ.
3. ДШЛ.
4. ШД.
5. ДШЭ

В производстве их участвуют такие предприятия, как НПО «АТОМ», ZETEK, компания Электропривод, Stepmotor, Вексон, НПО РИФ, Саратовский эл. механический, корпорация ВНИИЭМ, ЗАО Уралэлектромаш, АРК «Энергосервис». Производством ШД FL 203, FL 28, FL 57, 35 HS, 57 HS, 17 HD занимаются зарубежные фирмы: Fulling motor, Autonics, Motionking YUHA motor, Jlangsu, Phytron и другие. Ассортимент выпускаемых ШД разнообразный: по типоразмерам, мощности, со встроенным редуктором и платой управления.

Конструкция и принцип работы

Шаговый двигатель состоит из статора и вращающегося ротора. Сердечник статора выполнен в виде набора листов электротехнической стали (штампованных). Это уменьшает вихревые токи и соответственно нагрев. Статор по окружности разбит на 4.6.8 продольных пазов. Применяется и больше. На выступах между пазами располагаются обмотки в виде катушек. Количество пазов соответствует количеству полюсов двигателя. Чем больше полюсов, тем меньше угол поворота ротора, то есть шаг.

Ротор состоит из одного или двух постоянных магнитов, с торцов, металлические пластины которого закреплены с зубьями. При этом плюса S и N постоянного магнита разбиваются на n полюсов, что соответствует количеству зубьев. Это также влияет на величину шага вращения. По конструкции ШД выпускаются трёх типов в зависимости от конструкции ротора:

• реактивный;
• ротор из постоянного магнита;
• гибридный.

Реактивный — ротор выполнен из ферромагнитного материала с продольными пазами, полюсами. Он используется редко, только для выполнения простых задач. В основном из-за того, что у него нет стопорящего момента. Гибридный — ротор изготовлен из двух половинок ферромагнитного материала, с продольными пазами и между ними расположен постоянный магнит. Пазы половинок относительно друг друга, сдвинуты на небольшой угол, для понижения шага. Они чаще всего применяются.

При подаче импульсного напряжения на обмотку статора образуется электромагнитное поле. Взаимодействуя, с ближайшим полюсом постоянного магнита создаётся крутящий момент. Вал двигателя поворачивается на определённый угол. Угол поворота в основном зависит от количества полюсов ротора.

Такой двигатель и будет называться шаговым. Благодаря небольшим размерам ШД серии Em 422 применяется в матричных принтерах.

Методы управления фазами

Управление в основном зависит от количества полюсов и конфигурации обмоток статора. ШД выпускаются в основном со следующими обмотками:

1. Две обмотки с 4 выводами.
2. Две обмотки с 6 проводами со средним выводом.
3. Четыре обмотки — 8 выводов.

Управлять можно двумя методами, использовать однополярное напряжение — униполярное или двухполярное — биполярное. Униполярный шаговый двигатель имеет 4 полюса и 2 обмотки. У четырехфазного каждая обмотка разделена пополам и располагается на противоположных полюсах. Вращение осуществляется поочерёдной подачей напряжения на обмотки. При 6 выводах или 5 тоже 2 обмотки, но с отводом от середины. Обычно средние выводы катушки соединяются вместе на минусовой провод, а плюсовой через управляемые ключи подаётся на обмотки.

Двигатели с биполярным управлением имеют 4 обмотки, по 2 на каждую фазу. Управление происходит при смене полярности обмотки. При таком управлении усложняется схема подключения шагового двигателя, но крутящий момент при этом получается больше. Основные характеристики — напряжение питания, потребляемый ток фазы, шаг, мощность и размер фланца. Посадочные места стандартизированы и указываются как, например, Nema 23. Это соответствует расстоянию между отверстиями под крепление 57 мм.

Способы управления шаговым двигателем

Применение ШД в станках с ЧПУ конкурирует только с сервоприводами, например, в эрозионных станках или принтерах, они даже превосходят их по своим техническим возможностям, себестоимости и простым схемам управления. Управление можно осуществлять на цифровых микросхемах, специализированных — А3977, на программированной PIC16, через ключи или драйверы SMSD 1.5.

Большинство драйверов управляются компьютером через порты RS-232, USB и LPT. Они вырабатывают сигналы управления: шаг, направление, разрешение и обеспечивают дробление шага на ½ до 1/32 и работают с программами: MACH3, KCam, DeskCNC, Turbocnc и другими. Кабелем подключить двигатель к драйверу согласно описанию. Изучив работу программы, запустить в работу несложно. Для включения используется напряжение от 5 вольт до 48 вольт. Исключения составляют двигатели на 220/110 вольт.

Микрошаговый режим привода

Основное время работы ШД происходит в пошаговом или полушаговом режиме, а при пуске и остановке желательно использовать микрошаговый режим для точной фиксации. Пошаговый режим определён конструкцией и импульсным управлением. При микрошаговой работе на обмотки подаются синусоидальные напряжения с нужным сдвигом фаз.

Ротор фиксируется при определённом соотношении фаз токов в обмотках. Расчёт точки равновесия произвести по формуле x = S *pi/2*arctg a/b где:

• a — момент, создаваемый первой фазой и b — второй фазой;
• x — точка равновесия ротора или микрошаг в радианах;
• S — угол шага.

А также надо учитывать максимальную частоту управляющего сигнала, при которой нет потери или добавления лишнего шага в процессе работы. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя и обозначается в характеристиках, как частота приёмистости двигателя.

В процессе эксплуатации необходимо следить за чистотой вокруг привода и не допускать попадания металлической стружки, возможен выход из строя ШД. Найти способ защитить привод. Ремонт аналогичен ремонту коллекторного двигателя, требует аккуратности.

После разборки взять и продуть сжатым воздухом статор и ветошью протереть ротор. Проверить отсутствие биения подшипников.