Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем запитывать шаговые двигатели

Шаговый двигатель

Настройка тока на драйверах шагового двигателя

Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать пропускать шаги.

Шаг — угол шага бывает 1,8 град (200 шагов), 5.625 Градусов (64 шага), 7.2 градуса (50 шагов)

Удерживающий крутящий момент — это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.

Количество фаз — количество контактов/проводов у шагового двигателя

  1. Биполярный двигатель — это наиболее простая конфигурация с 4 — мя выводами.
  2. Униполярный двигатель (5 или 6 контактов). Позволяет легко изменить магнитные полюса. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток.
  3. 8-выводной шаговый двигатель может быть подключен любым из возможных способов:
    • 5 или 6-выводной униполярный,
    • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
    • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
    • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

Драйвер для шагового двигателя

Схема соединений шагового двигателя и Arduino

Скетч управления поворотом шагового двигателя с помощью кнопок.

При нажатии на первую кнопку шаговый двигатель перемещается на 200 шагов по часовой стрелке, при нажатии на другую кнопку шаговый двигатель перемещается на 200 шагов против часовой стрелки.

Схема подключения шаговый двигатель -EasyDriver -Arduino

Схема подключения шаговый двигатель -EasyDriver -Arduino

Программа для вращения шагового двигателя — EasyDriver и Arduino

В данном примере рассматривается управление шаговым двигателем с использованием контроллера EasyDriver и Arduino. После прошивки платы и подключения, ротор будет вращаться в одном и противоположном направлении.

digitalWrite(dirpin, LOW); // Устанавливаем направление

Галерея схем подключения шагового двигателя к ардуино

    Похожие записи

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Шаговый двигатель

Содержание

  • 1 Описание
  • 2 Микрошаг
  • 3 Возможные артефакты от шагового двигателя
  • 4 Размеры
  • 5 Самые распространённые модели
  • 6 Подключение
  • 7 Шлейф для подключения двигателей MKS
  • 8 Уменьшение вибраций
  • 9 Источники информации и полезные ссылки

Описание

В 3D принтерах используются шаговые двигатели типоразмера NEMA 17, то есть посадочные отверстия унифицированы и габаритно отличаются только по длине. Шаговые двигатели вращаются дискретно. Обычный двигатель делает 200 шагов на оборот. Для более плавного вращения драйвер шагового двигателя делит полный шаг на микрошаги. Обычно используется драйвер A4988 с дроблением шага на 16 микрошагов, а это уже 3200 микрошагов на один оборот. Подобные двигатели используются в обычных чернильных принтерах, только меньшей мощности. Нам нужны биполярные двигатели, имеющие четыре провода.

У обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого двигателем.

Микрошаг

Ротор вращается в след за магнитным полем статора, стремясь занять положение равновесия. Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование.

В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер.

Возможные артефакты от шагового двигателя

Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля и т.д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов.

Читать еще:  402 двигатель какие тепловые зазоры

Если измерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовой стрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан в первую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вклад вносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. Погрешность, создаваемая гистерезисом может быть равна нескольким микрошагам. Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужно проходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход к нужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении.

Размеры

Самые распространённые модели

МодельУгол шага, градДлина, ммТок, АСопротивление обмотки, ОмМомент удержания, Н*mВес, г
17HS44011,8401,71,50,4280
17HS44021,8401,32,50,4280
17HS84011,8481,81,80,52400
42BYGHW6091,8401,71,50,4240
42BYGHW8111,8482,51,250.48340
42BYGHM8090,9481,681,60.42340
GZGW091,8340,845,750,48220
MKS 4248-4501,848130,45380
MKS 4240-4001,840130,40295
MKS 4234-2901,83413,10,29240

Подключение

Провода желательно свить в косички от наводок.

Обмотки определяются очень просто — при закорачивании (соединении выводов обмотки) ротор двигателя прокручивается с большим усилием. Также это можно определить мультиметром.

Шлейф для подключения двигателей MKS

Уменьшение вибраций

Возможно использование амортизаторов (демпферов) на двигатели для уменьшения вибраций. Выглядят они обычно так

Так же можно встретить двигатели с уже установленным амортизатором. В некоторых случаях это не оправдано.

Принцип работы шагового двигателя

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

p, blockquote 1,0,0,0,0 —>

p, blockquote 2,0,0,0,0 —>

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

Читать еще:  Чип тюнинг двигателя джили эмгранд

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса.

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным.

p, blockquote 19,0,0,0,0 —>

p, blockquote 20,0,0,0,0 —>

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео).

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

p, blockquote 24,0,0,1,0 —>

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину.

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

p, blockquote 26,0,0,0,0 —>

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены.

p, blockquote 27,0,0,0,0 —>

p, blockquote 28,0,0,0,0 —>

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

p, blockquote 29,0,0,0,0 —>

p, blockquote 30,0,0,0,0 —>

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

p, blockquote 31,0,0,0,0 —> p, blockquote 32,0,0,0,1 —>

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Подключение шагового двигателя к Raspberry Pi

Raspberry Pi в настоящее время является одной из самых популярных плат, используемых энтузиастами в области электроники. Основанная на процессоре с архитектурой ARM, она является очень удобной для реализации различных проектов в тематике интернета вещей (Internet of Things, IoT). Но прежде чем браться за сложные проекты, необходимо освоить базовые приемы работы с данной платой. Поэтому в данной статье мы рассмотрим подключение шагового двигателя к плате Raspberry Pi и управление скоростью его вращения с помощью команд, подаваемых с платы.

Как следует из его названия, вращение оси в шаговом двигателе происходит ступенчато, небольшими шагами. В отличие от двигателя постоянного тока ось шагового двигателя мы можем повернуть на любой необходимый нам угол.

Существует много различных типов шаговых двигателей, в данном проекте мы будем использовать униполярный шаговый двигатель (Unipolar Stepper Motor). Более подробно про принципы работы шагового двигателя вы можете прочитать в статьях про его подключение к микроконтроллеру AVR и плате Arduino.

Читать еще:  Что дает облегченный маховик двигателя

Чтобы управлять вращением шагового двигателя с 4-мя обмотками (Four Stage Stepper Motor), мы будем подавать на него сигналы (импульсы) управления с помощью схемы драйвера шагового двигателя (на транзисторах). Эта схема будет управляться логическими сигналами с платы Raspberry Pi. Управляя этими сигналами мы сможем управлять импульсами, подаваемыми на шаговый двигатель и, следовательно, таким образом, сможем управлять скоростью его вращения.

Схема расположения контактов ввода/вывода (GPIO) на плате Raspberry Pi 2 показана на следующем рисунке. Более подробно об этих контактах вы можете прочитать в статье про мигание светодиода с помощью Raspberry Pi.

Каждый из 17 универсальных контактов ввода/вывода (GPIO) может выдерживать ток до 15mA. А суммарный ток от всех контактов ввода/вывода не должен превышать 50mA – таким образом, в среднем на каждый контакт будет приходиться ток примерно 3mA.

Также на плате Raspberry Pi присутствуют силовые контакты +5V (Pin 2 & 4) и +3.3V (Pin 1 & 17), от которых можно запитывать различные датчики. Но эти силовые контакты нельзя использовать для подачи питания на шаговый двигатель поскольку у них не хватит мощности для этого. Поэтому для подачи питающего напряжения на шаговый двигатель нужен внешний источник питания. Поскольку используемый нами в проекте шаговый двигатель рассчитан на напряжение 9V, то для подачи на него питания мы использовали батарейку на 9V. Если вы используете шаговый двигатель, рассчитанный на другое напряжения питания, то соответствующим образом подберите под него необходимый источник питания.

Необходимые компоненты

  1. Плата Raspberry Pi 2 Model B или другая аналогичная (купить на AliExpress).
  2. Резистор 220 Ом или 1 кОм – 3 шт. (купить на AliExpress).
  3. Шаговый двигатель (Stepper Motor).
  4. Кнопка – 2 шт.
  5. Транзистор 2N2222 – 4 шт. (купить на AliExpress).
  6. Диод 1N4007 – 4 шт. (купить на AliExpress).
  7. Конденсатор 1000 мкФ (купить на AliExpress).
  8. Макетная плата.
  9. Соединительные провода.

Схема проекта

Схема подключения шагового двигателя к плате Raspberry Pi представлена на следующем рисунке.

Используемому нами шаговому двигателю нужно сделать 200 шагов чтобы совершить полный оборот своей оси (на 360 градусов), то есть за каждый шаг ось двигателя поворачивается на 1,8 градуса. Поскольку мы используем шаговый двигатель с 4-мя обмотками (Four Stage Stepper Motor), нам необходимо 4 импульса чтобы совершить один логический цикл (оборот). Поскольку за один шаг ось двигателя поворачивается на 1,8 градуса, то для совершения полного оборота (цикла) нам нужно сделать 200 шагов. Таким образом, чтобы совершить один полный оборот, нам нужно 200/4 = 50 логических циклов.

Каждую обмотку шагового двигателя мы будем запитывать с помощью NPN транзистора 2N2222, управляться эти транзисторы будут с помощью логических сигналов (импульсов) от платы Raspberry Pi.

Будьте осторожны при подключении транзисторов к плате Raspberry Pi поскольку их неправильное подключение может сильно повредить плату.

Шаговый двигатель обладает индуктивностью, что может привести к выбросам напряжения, которые могут сильно нагревать (повредить) транзисторы, поэтому в схеме мы используем диоды 1N4007 чтобы обеспечить защиту транзисторов от этих выбросов напряжения.

Также, чтобы уменьшить флуктуации напряжения, в схеме мы подключили конденсатор емкостью 1000 мФ параллельно подаваемому напряжению питания.

Объяснение программы для Raspberry Pi

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

После того, как все необходимые соединения в схеме сделаны, мы можем подать питание на Raspberry Pi и после загрузки ее операционной системы можно начать писать программу в ней на Python. Подробнее о том, как это можно сделать, можно прочитать в статье про мигание светодиода с помощью Raspberry Pi.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector