Arskama.ru

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

Шаговый двигатель за что отвечает

Шаговый двигатель

Итак, мы уже рассказали, как устроен серво мотор и сегодня начнем разбирать шаговый двигатель, его схему, драйверы управления и то, где его лучше всего использовать!

Начнем мы с того, что «на пальцах» рассмотрим принцип функционирования данной железяки. Каждый шаговик имеет внутри себя несколько электромагнитов, расположенных вокруг вала. Подавая питание в нужной последовательности на каждую из них, вращающийся элемент двигателя стремится примагнититься катушке. Быстрым переключением питания между электромагнитами можно добиться большой скорости вращения вала мотора и перемещать его в любое положение с большой точностью. Однако для обеспечения этой точности используются различные вспомогательные устройства, так как такой тип двигателя имеет крайне неприятной эффект вибрации. О таких нюансах мы и расскажем далее!

Любой шаговый двигатель имеет два основных элемента: ротор (вал мотора) и статор (неподвижный корпус). Первый состоит из обычных магнитов, а второй — из электрических, управляемых катушек. Стоит отметить, что как раз за счет шагов от одной катушке к другой в шаговиках присутствует вибрация, вызванная инерцией вала мотора. Профили магнитов, принципы управления электромагнитами — все это разделяет шаговики на типы и наделяет их своими плюсами и минусами.

Разделим шаговики на 3 основных класса:

  • Переменный шаговый двигатель
    Ротор не имеет постоянных магнитов, а оснащен ферромагнитной шестерней. Это материал, который крайне эффективно магнититься, но не так сильно по сравнению с постоянным. Это приводит к проигрышу в крутящем моменте. Зато отсутствует стопорящая сила, возникающая за счет магнитного поля между корпусом мотора и ротором с постоянным магнитом, которую легко почувствовать, покрутив шаговик в выключенном состоянии (характерные щелчки).
    Движок оснащен большим количеством катушек, которые включаются попарно. Величина шага варьируется от 5 до 15 градусов.
  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
    Ротор такого устройства состоит из нескольких разнополюсных магнитов. Принцип разбирали в самом начале. Характерный шаг от 45 до 90 градусов.

  • Гибридный шаговый двигатель
    Как можно догадаться, данный тип совместил в себе первые два и унаследовал все плюсы. Отличительными характеристиками данного шаговика являются высокая точность (1-5 градуса), малая вибрация и приличная скорость вращения. Все хорошо, но такие штуки отличаются от своих собратьев еще и ценой! Это связано со сложностью изготовки. Но производители пошли на технологическую хитрость. Практически невозможно создать многозубцовую (скажем, 100) шестеренку, где соседние зубья будут разных полюсов.

    Но достаточно просто создать два таких диска, имеющих противоположные полюса. Затем их сдвигают так, что если посмотреть сбоку, получится то, что мы и хотели. Осталось правильным образом расположить обмотки и включать их по оптимальной логике, обеспечивающей наибольшую эффективность!

Теперь давайте пробежимся по методам управления шаговыми двигателями. Их также можно разделить на несколько пунктов:

  • Полношаговое управление одной обмоткой
    Это самый простой вариант. Последовательно включается только одна катушка и к ней притягивается вал мотора. В таком случае крутящий момент будет меньше чем в следующем способе.
  • Полношаговое управление двумя обмотками
    Принцип такой же, как и в предыдущем случае, но теперь управление идет парой электромагнитов. Это обеспечивает максимальный крутящий момент мотора, но требует в два раза больше тока или напряжения (зависит от метода подключения катушек друг к другу).
  • Полушаговое управление
    Данная логика включения катушек позволит увеличить число шагов, а, следовательно, и точность в 2 раза! Аналогично предыдущим пунктам, можно управлять одной катушкой или парой. Вся фишка в том, что в данном случае переход на следующую катушку происходит не при полном выключении предыдущей. То есть, при работе двух соседних катушек вал мотора встает в промежуточное состояние.
  • Сверхточное управление
    Наверное, у многих после предыдущего пункта появилась мысль: а что если мы будем подавать разную мощность на две соседние катушки, меняющуюся по определенному закону, и получим еще больше промежуточных шагов? Именно так и устроены современные двигатели в сверхточных ЧПУ и прочих подобных устройствах. Хитрое управление обмотками позволяет значительно повысить точность позиционирования подобных моторов. В таких случаях используют специальные драйверы для шаговых двигателей, позволяющих осуществлять подобный режим управления.

В качестве примера в данной статье рассмотрим подключения двух шаговых двигателей к плате Arduino. Для начала рассмотрим мотор 17hs4401, которой используется в 3D принтерах. Данная модель является биполярной, то есть у нас есть две пары обмоток от которых идет 4 кабеля.

Шаговый двигатель 17hs4401 обладает большим крутящим моментом и может питаться от сети 12 V. Чтобы не перегружать нашу плату управления большими мощностями, шаговик подключается к ней с помощью специального драйвера А4988, который способен работать в жестких условиях (до 35 V и 2 А).

Слабые управляющие сигналы с Arduino идут на драйвер, а тот уже взаимодействует с 17hs4401 с более мощными параметрами по току и напряжению. К ножкам A4988 VDD и GND подводится питание логического уровня (3 — 5,5 В), к VMOT и GND — питание двигателя (8 — 35 В). Стоит отметить, что в данной системе бывают скачки напряжения, которые могут привести к поломке оборудования. Поэтому (на 3D принтерах всегда) ставят большие конденсаторы (более 47 мкФ). Драйвер имеет болт, который регулирует силу тока. Работая на предельных значениях, вы рискуете сжечь его, особенно если не наклеен радиатор, идущий в комплекте с устройством.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя ford explorer

Шаговик 17hs4401 за полный оборот совершает 200 шагов. Это весьма неплохо, но для лучшего позиционирования (крайне важно для ЧПУ) используют схему управления с микрошагами, которую мы изучили ранее. A4988 позволяет осуществлять такую процедуру с коэффициентами 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 шага (комбинируя управление через выходы MS1, MS2, и MS3).

MS1MS2MS3Step
LowLowLowFull
HighLowLow1/2
LowHighLow1/4
HighHighLow1/8
HighHighHigh1/16

Пин STEP отвечает за микрошаг шаговика, DIRECTION — за направление вращения. Выводы STEP и DIRECTION не подтянуты к какому-либо конкретному внутреннему напряжению, поэтому их не стоит оставлять плавающими при создании приложений. Если требуется вращать двигатель в одном направлении,коннектим DIR с VCC или GND. Драйвер имеет три различных входа для управления состоянием питания: RESET, SLEEP и ENABLE. Вывод RESET плавает, если его не нужно использовать, то следует подключить его к SLEEP, чтобы подать на него высокий уровень и включить плату.

Теперь давайте перейдем непосредственно к подключению данного мотора к микрокомпьютеру. Соединяем контакты согласно указанной ниже схеме:

Обычно, такие моторы используются любителями при сборке 3d принтеров своими руками. Для этого используют Arduino MEGA и шилд ramps 1.4, о котором мы говорили в этой статье. Удобство использования данного комплекта состоит в том, что не нужно соединять кучу проводов — за вас уже все разведено. Таким образом, легко подключить сразу до 5 шаговиков!

Более простым и дешевым вариантом шагового мотора является модель 28byj-48. Его подключение немного запутанное, но несмотря на это он пользуется большой популярностью у любителей собирать роботов! Поэтому мы немного расскажем о том, как 28byj-48 подключить к Arduino. В первую очередь нам понадобиться драйвер ULN2003APG. Это очень дешевая железяка, встречается как готовая плата с разъемами, так и просто чип с голыми ножками. Сначала посмотрим, как подключать второй вариант.

На данной картинке покано подключение двух шаговых двигателей к плате Arduino Nano. C обратной стороны драйвера все ножки соединяем с цифровыми пинами, кроме крайней правой — ее ведем к GND. При программировании вам потребуется осуществить настройку моторов к пинам и в этом случае необходимо указать правильную последовательность: оранжевый, синий, желтый, розовый. Именно в таком порядке необходимо будет подавать управляющий сигнал с ножек микропроцессора. Как видно на рисунке, красный провод левого коннектора не попадает на ULN2003APG — его необходимо соединить с выходом 5V или VIN.

Есть более простой способ подключения шаговика 28byj-48 через готовую плату с коннектором:

На всякий случай приведем распиновку драйвера:

На этом у нас все, если будут вопросы — всегда готовы ответить!

О шаговых двигателях и том, как их есть

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.

Удерживающий 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.

Угол поворота — это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага — это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.

Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% — очень и очень хороший показатель.

И тут можно задаться вопросом, — ‘а как же напряжение?’. Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V — 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.

Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние — экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами — те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.

Читать еще:  Что может стучать в двигателе луаз

Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.

О чём ещё не сказал? О размерах? Ну разве ими кого-то удивишь? Наш типоразмер это Nema17, тут ничего нового. Можно и другие, но это уже снова экзотика.

Ну и последнее. Вот я купил двигатель, а дальше что? Как на нём правильно настроит ток? А всё очень просто, я уже поверхностно описывал этот процесс в одном из своих постов. Нам понадобится мультиметр, отвёртка и немного математики. Настройка тока производится методом кручения подсроечника на драйвере и снятия контрольного напряжения. Напряжение можно снимать — как на картинке.

А дальше считаем по формуле, какое контрольное напряжение (Vr) нам надо выставить. Формула различается для разных драйверов.

Vr = Номинальный ток / 2,5

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 .5 = 0.68V

Vr = Номинальный ток / 2

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 = 0,85V

Шаговый двигатель (Step motor)

Движение ротора в шаговом двигателе происходит за счет последовательной подачи напряжения на обмотки двигателя, после подачи напряжения на одну из обмоток, ротор фиксируется в определенном положении, а поочередная подача заставляет ротор делать так называемые шаги, именно этот факт определил название — шаговый двигатель (Step motor).

В 30-е годы прошлого столетия появились первые шаговые двигатели и сразу же получили широкое применение во всех отраслях промышленности. Сегодняшние шаговые двигатели претерпли значительные изменения, но принцип работы остался прежним.

Производители шаговых двигателей

По прошествии практически ста лет шаговый двигатель остается популярным промышленным оборудованием, а его производством занимаются многие известные производители, такие как:

  • Autonics;
  • Ametek;
  • Beckhoff;
  • CMZ;
  • Delta;
  • OMS;
  • SanyoDenki;
  • JVL.

И многие другие производители промышленного оборудования и электроники.

Драйвер шагового двигателя (Stepper driver)

За направление вращения ротора и его скорости отвечает драйвер шагового двигателя, который последовательно подает напряжение на обмотки статора, ток на обмотках определяет угол поворота вала. Драйвер шагового двигателя (Stepper driver) — это силовой модуль в задачу которого входит последовательное формирование тока питания для каждой обмотки двигателя.

Ремонт шагового двигателя и драйвера ш.д. в сервисном центре

Сервисный центр «Кернел» предлагает услуги по ремонту промышленной электроники и оборудования такого как шаговые двигатели и драйвера шаговых двигателей. В виду малого ресурсного запаса драйвера ш.д. не редко выходят из строя, обратившись в нашу компанию вы гарантированно получите глубокую диагностику промышленного оборудования, которая покажет причину выхода из строя оборудования и последующий профессиональный ремонт драйвера шагового двигателя в сжатые сроки.

Наш сервисный центр уделяет максимальное внимание на качество исполнения ремонта. Мы производим ремонт шаговых двигателей и драйверов ш.г. на компонентном уровне с использованием только оригинальных запасных частей, мы уверены в качестве выполненных работ и смело даем гарантию на все ремонтные работы 6 месяцев.

Подключение шагового двигателя, настройка и программирование

Мы ценим наших клиентов и предлагаем ремонт не только на территории сервисного центра, но и с выездом на территорию заказчика, для подключения шагового двигателя его последующую настройку и программирование.

Если вы заинтересованы в ремонте (перемотке) шагового двигателя или в ремонте драйвера шагового двигателя, вы можете оставить заявку на ремонт либо с помощью специальной форме на сайте, либо связавшись с нашими менеджерами несколькими способами:

  • Заказав обратный звонок (кнопка в правом нижнем углу сайта)
  • Посредством чата (кнопка расположена с левой стороны сайта)
  • Либо позвонив по номеру: +7(8482) 79-78-54; +7(917) 121-53-01
  • Написав на электронную почту: 89171215301@mail.ru

Вот далеко не полный список производителей промышленной электроники и оборудования, ремонтируемой в нашей компании.

Преимущества использования шаговых двигателей в мехатронных узлах бионических протезов

Рубрика: Информационные технологии

Дата публикации: 03.04.2020 2020-04-03

Статья просмотрена: 33 раза

Библиографическое описание:

Шук, А. И. Преимущества использования шаговых двигателей в мехатронных узлах бионических протезов / А. И. Шук, Е. В. Ипполитова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 14 (304). — С. 76-80. — URL: https://moluch.ru/archive/304/68513/ (дата обращения: 16.09.2021).

В данной статье рассматриваются преимущества использования шаговых двигателей в конструкции бионических протезов, связанных, в первую очередь, с уменьшением используемых элементов конструкции, а, следовательно, и с уменьшением размеров конструкции. Основанием для статьи являются следующие свойства шаговых двигателей [3]: угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель; двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны); прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5 % от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу; возможность быстрого старта/остановки/реверсирования; высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников; однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи; возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора; может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Отсутствие концевых выключателей

Читать еще:  Двигатель альфа дельта 125сс характеристики

Одним из основных преимуществ шаговых двигателей является легкость их управления. Обладая документацией на используемый двигатель [1], всегда можно узнать количество перепадов напряжения на обмотках шагового двигателя соответствующее перемещению ротора двигателя на один шаг. Таким образом, в теории и на практике, можно отслеживать идеальное (в отсутствии проскальзывания) перемещение выходного вала двигателя. Современные микроконтроллеры, в большинстве своем, обладают достаточными вычислительными мощностями, чтобы быть способными сосчитать количество импульсов на обмотках управления двигателем, преобразовать их по определенному алгоритму в угловое перемещение выходного вала и записать полученное значение в память микроконтроллера. Полученную информацию об угловом положении выходного вала легко использовать для создания программного концевого выключателя — при достижении значения счетчика импульсов определенного значения, микроконтроллер вызывает прерывание, прекращающее подачу питания на обмотки управления двигателя.

Использование вышеописанного метода отслеживания углового положения ротора двигателя допустимо лишь в том случае, если отсутствует явление проскальзывания ротора — отсутствии движения выходного вала при подаче управляющего воздействия на обмотки. Данный эффект может проявиться при наличии значительного внешнего момента на валу двигателя или несовершенства конструкции двигателя. Решением проблемы является установка дополнительного датчика обратной связи по угловому положению выходного вала высокой точности, приводящее нас к следующему преимуществу использования шаговых двигателей — программной реализации сил-моментного решения на основе данных о положении выходного вала двигателя с двух источников.

Сил-моментное решение

Блок схема, реализующая программное сил-моментное решение, представлена на рисунке 1. Описание логики работы блоков схемы и переменных, используемых в схеме, приведено в приложении А.

Так как момент на выходном валу шагового двигателя имеет сложную нелинейную зависимость от скорости вращения и выбранного режима шага двигателя [2], выбор которых выходит за рамки данной статьи, алгоритм рассматривается в контексте неизменности этих параметров.

В соответствии с рисунком 1, в рамках алгоритма выполняется следующая логика:

1) После выбора, на основании показаний датчиков, требуемых скорости и направления вращения (DIR) с заданным моментом на валу (U), система начинает отслеживать абсолютные значения угла поворота выходного вала в двух разрезах — MC (данные пересчета импульсов) и Encoder (данные с энкодера)

2) При появлении внешнего момента на валу двигателя, превышающего значение U, из-за эффекта проскальзывания происходит рассогласование между значениями MC и Encoder. В случае если разность между MC и Encoder превышает пороговое значение CONST_1 в течение времени CONST_2, система исполняет следующие действия:

  1. Перевод двигателя в режим удержания (Break = «TRUE»).
  2. Присваивает переменной MC значение Encoder, производя согласование расчетного угла поворота с фактическим.
  3. Сохранение состояния системы до момента изменения требуемого момента на валу или требуемого направления вращения.
  4. Переход к пункту 1).

Описанный выше алгоритм позволяет реализовать сил-моментное решение, эффективность которого определяется значением CONST_1, точностью пересчета показаний энкодера и качества изготовления двигателя.

Данное решение так же имеет «естественный» способ борьбы с ложным срабатыванием. Так как алгоритм рассматривается как применимый в бионических протезах, смена требуемых значений момента и направления вращения, в случае ложного срабатывания, потребует от человека буквально одно движение, чтобы изменить задающие сигналы с датчиков.

Рис. 1. Сил-моментное решение

Заключение

Исходя из изложенного выше, можно подвести краткие итоги преимуществ шаговых двигателей в конструкции мехатронных узлов устройств, требующих применения сил-моментного решения и минимизации габаритов:

1) Уменьшение габаритов конструкции за счет исключения концевых выключателей и датчиков момента на валу.

2) Легкость управления двигателями по сравнению с двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями.

3) Возможность широкой программной настройки эффективности сил-моментного решения без изменения аппаратной части.

Пояснения к используемым в работе элементам и обозначениям приведены в таблице 1.

Описание элементов

Обозначение элемента

Тип элемента

Комментарии

Угловое положение выходного вала двигателя, рассчитанное контроллером на основании подсчета количества импульсов на обмотках шагового двигателя.

Угловое положение выходного вала двигателя, полученное от энкодера.

Максимально допустимое рассогласование между MC и Encoder.

Время подтверждения сигнала о превышении максимально допустимого рассогласования между MC и Encoder.

Сигнал к переходу двигателя в режим удержания.

Набор значений от датчиков, задающий требуемый момент на выходном валу и направление вращения.

U_0, U_1, U_2, U_3

Значение возможных напряжений на обмотках шагового двигателя.

Текущее требуемое значение напряжения на обмотках шагового двигателя.

Текущее направление вращения выходного вала двигателя.

Требуемое на предыдущей итерации напряжение на обмотках шагового двигателя.

Требуемое на предыдущей итерации направление вращение выходного вала двигателя.

Элемент возвращает на выходе разность входов.

Элемент возвращает на выходе состояние TRUE, если выполняется условие элемента.

Элемент возвращает на выходе один из входов, в зависимости от управляющего входа.

Элемент возвращает на выходе состояние TRUE, если хотя бы один из входов имеет состояние TRUE.

Элемент присваивает переменной MC значение переменной Encoder, если на вход элемента приходит состояние TRUE

Элемент блок схемы

Элемент возвращает на выходе состояние TRUE или FALSE в соответствии с таблицей истинности, где Сn-1 — значение выхода на прошлой итерации.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector