Шаговый двигатель принцип действия, виды, режимы работы

Система управления шаговым двигателем ZETLAB

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом 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.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.


Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый двигатель) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов.


Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.


Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге


Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге


Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).

Читайте также:  Можно ли ездить на липучках летом эксплуатация зимних шин 1


Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).


Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.


Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Мир микроконтроллеров

Популярное

  • Устройство и программирование микроконтроллеров AVR для начинающих — 143
  • Трехканальный термостат, терморегулятор, таймер на ATmega8 — 71
  • Двухканальный термостат, терморегулятор на ATmega8 — 67

Подключение шагового двигателя к микроконтроллеру AVR ATmega16

Шаговые двигатели – это бесщеточные двигатели постоянного тока, которую могут вращаться от 00 до 3600 дискретными шагами. С каждым управляющим сигналом ось такого двигателя поворачивается на фиксированное значение (шаг). Управление вращением подобных двигателей осуществляется последовательностью специальных сигналов. В отличие от серводвигателей шаговые двигатели могут управляться контактами ввода-вывода общего назначения, а не только контактами ШИМ модуляции, и могут вращаться на (+3600) и (-3600). Последовательность следования управляющих сигналов определяет будет ли шаговый двигатель вращаться по часовой или против часовой стрелки. Для управления скоростью вращения такого двигателя необходимо просто изменять уровень управляющих сигналов. У шаговых двигателей есть несколько режимов шагового (дискретного) вращения – на полный шаг, на половину шага и на микрошаг.

В этом проекте мы будем подключать шаговый двигатель 28BYJ-48 к микроконтроллеру ATmega16 (семейство AVR), используя программу Atmel Studio 7.0. Шаговый двигатель будет работать при напряжении питания 5В. Мы будем подключать шаговый двигатель к микроконтроллеру с помощью драйверов электродвигателей ULN2003 и L293 (по отдельности). Оба будут запитываться напряжением 5В.

Примеры шаговых двигателей

Как следует из их названия, вращение шаговых электродвигателей представляет собой серию коротких шагов. В этом и состоит их отличие от двигателей свободного вращения — шаговый двигатель сделает столько шагов, сколько ему будет задано, и вы будете точно знать, сколько он их сделал. Это одна из причин, почему шаговые двигатели широко применяются как в обычных, так и в ЗD-принтерах. В обычных принтерах они точно позиционируют бумагу, а в ЗD — рабочий столик и сопло.

На представленном рисунке представлены три образца шаговых электродвигателей. Миниатюрные электродвигатели типа тех, что показан слева, служат для перемещения элементов объектива в компактной фотокамере или смартфоне. В центре находится шаговый мотор-редуктор с питанием 5В — в его корпусе заключен и шаговый электродвигатель, и редуктор. Справа изображен шаговый электродвигатель, типичный дл я принтеров.

Принцип работы биполярного шагового электродвигателя

На следующем рисунке показана схема работы биполярного шагового электродвигателя. О другом типе шаговых электродвигателей — униполярных – можно прочитать в соответствующих источниках. В биполярном шаговом двигателе, как правило, имеются четыре катушки. Катушки, расположенные одна против другой, соединены так, что работают синхронно.
Все катушки расположены на неподвижном статоре двигателя, а значит, нет необходимости во вращающемся коллекторе и щетках, как у двигателей постоянного тока.

Ротор шагового электродвигателя выполнен в форме намагниченных зубцов с чередующимися северным (С) и южным (Ю) полюсами (зубцов на роторе обычно гораздо больше, чем показано на представленном рисунке). Каждую катушку можно подключить так, что она будет намагничена или как северный полюс, или как южный, — в зависимости от направления тока в катушке. Катушки 1 и 3 работают совместно так, что когда катушка 1 будет южным полюсом, катушка 3 также будет южным полюсом. То же самое относится и к катушкам 2 и 4.

Читайте также:  Электросхемы Opel Astra J - Дополнительно - Авто центр SPB - ремонт автомобилей и заказ запчастей

Начнем с варианта рисунка под буквой «а» — когда катушка 1 , а значит, и катушка 3 запитаны так, что становятся южными полюсами (Ю), вследствие того, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, ротор поворачивается против часовой стрелки до тех пор, пока ближайшие зубцы ротора с намагниченностью северного полюса (С) не поравняются с катушками 1 и 3 (как показано на «б»).
Чтобы продолжить вращение против часовой стрелки, на следующем шаге (рисунок «в») необходимо подать ток в катушки 2 и 4 так, чтобы они стали северными полюсами (С). Тогда ближайшие зубцы ротора с намагниченностью Ю подтянутся к катушкам 2 и 4 (рисунок «г»).

Каждое такое действие проворачивает ротор электродвигателя на один шаг. Для продолжения вращения против часовой стрелки в катушке 1 снова нужно создать намагниченность С (см. представленную таблицу).

Таблица 1. Последовательность действий при вращении шагового двигателя против часовой стрелки

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю
С
С
Ю

Прочерки в графах таблицы 1 указывают на то, что катушка в этот момент не оказывает влияния на вращение ротора и должна быть обесточена. Чтобы усилить момент вращения двигателя, на эти обесточенные катушки можно подать такой ток, чтобы полярность их намагниченности совпадала с полярностью стоящего под ней зубца ротора (таблица 2).

Таблица 2. Уточненная последовательность переключения катушек при вращении шагового двигателя

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю С
С С
С Ю
Ю Ю

Для изменения направления вращения ротора нужно всего лишь изменить порядок переключения катушек, указанный в таблице 2, на обратный.

Необходимые компоненты

Микроконтроллер ATmega16
Источник питания с напряжением 5 Вольт
Программатор AVR-ISP, USBASP или другой подобный
Кварцевый генератор 16 МГц
Шаговый двигатель 28BYJ-48
Драйвер двигателя ULN2003/ L293D
Конденсатор 100 нФ (2 шт.)
Конденсатор 22 пФ (2 шт.)
Кнопка
Соединительные провода
Макетная плата
Светодиод

Маркировка контактов шагового двигателя

Представлена на следующем рисунке.

Как видим, схема контактов шагового двигателя как будто специально «заточена» под то, чтобы подключать его к соответствующим драйверам (ULN2003 или L293D).

Назначение контактов микросхемы ULN2003 (драйвера мотора) приведено на следующем рисунке.

Внешний вид этого драйвера мотора выглядит следующим образом:

Внешний вид драйвера мотора L293D приведен на следующем рисунке:

Работа схемы

В следующих двух таблицах представлены схемы соединений входных и выходных контактов драйверов моторов ULN2003 или L293D с микроконтроллером AVR ATmega16 и шаговым электродвигателем.

Atmega16 ULN2003 L293D
A0 IN1(PIN1) IN1(PIN2)
A1 IN2(PIN2) IN2(PIN7)
A2 IN3(PIN3) IN3(PIN10)
A3 IN4(PIN4) IN4(PIN15)
Шаговый двигатель ULN2003 L293D
Orange OUT1(PIN16) OUT1(PIN3)
Yellow OUT2(PIN15) OUT2(PIN6)
Pink OUT3(PIN14) OUT3(PIN11)
Blue OUT4(PIN13) OUT4(PIN14)

Схема устройства с драйвером мотора ULN2003 приведена на следующем рисунке.

Схема этой же самой конструкции, но с драйвером мотора L293D, будет выглядеть следующим образом.

Внешний вид устройства с использованием ULN2003 приведен в начале статьи, а с использованием L293D он будет выглядеть следующим образом:

Соедините все компоненты устройства в соответствии с приведенной схемой соединений (одной из двух). Для управления шаговым двигателем мы будем использовать PORTA микроконтроллера Atmega16. К контактам шагового двигателя нет необходимости подключать питание – для управления им нам понадобятся только контакты его катушек (coil pins) – верно для ULN2003, для L293D немного по другому. Очень важен порядок контактов для того чтобы шаговый двигатель работал корректно. Для микросхемы ULN2003 используются четыре ее входа и четыре ее выхода – входы соединяются с контактами PORTA микроконтроллера, а выходы – с сигнальными контактами шагового двигателя. Также подсоедините кнопку к контакту сброса (Reset pin) чтобы иметь возможность осуществлять сброс микроконтроллера Atmega16 всегда, когда нам это понадобится. Подсоедините к микроконтроллеру кварцевый генератор. Все устройство должно быть запитано напряжением 5В.

Исходный код программы на языке С (Си) с пояснениями

Приведенный в этом разделе код программы демонстрирует вращение шагового двигателя под управлением микроконтроллера AVR в обе стороны: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если вы хотите вращать шаговый двигатель только в одну сторону – просто закомментируйте ненужную часть кода.

int main(void)
<
DDRA = 0x0F; /* конфигурируем PORTA на выход */
int period = 6; /* устанавливаем период (задержку) между двумя шагами */
while (1)
<
/* вращаем шаговый двигатель по часовой стрелке */
for(int i=0;i

Видео, демонстрирующее работу схемы

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.

Читайте также:  Выбираем сверлильный станок для своей мастерской

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Что такое шина LIN — CAN Hacker
CAN-BUS адаптер - незаменим при установке магнитолы! Студия автозвука Электросила, Киев ✆ +38 (066) 607-45-19 ✆+38 (068) 359-71-76 Главная Услуги...
Что такое клапан адсорбера, признаки неисправности клапана абсорбера
Что такое адсорбер в автомобиле, сколько служит, признаки неисправности, как заменить Вопрос экологии давно стоит ребром перед крупнейшими производителями автомобилей...
Что такое климат-контроль в автомобиле
Что такое климат контроль, как работает, неполадки, ошибки Одно из удобств современных транспортных средств — это наличие климат-контроля, кондиционера. Многие...
Что такое энкодер и для чего он нужен
Эндокер Коротко энкодеры можно назвать преобразователями угловых перемещений. Они служат для модификации угла поворота объекта вращения, например, вала какого-либо механизма,...

Шаговый двигатель принцип действия, виды, режимы работы

Система управления шаговым двигателем ZETLAB

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом 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.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.


Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый двигатель) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов.


Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.


Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге


Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге


Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).

Читайте также:  Немного о замене тормозных колодок на автомобиле с дисковыми тормозами (на примере Kia Ceed); Полезн


Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).


Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.


Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Мир микроконтроллеров

Популярное

  • Устройство и программирование микроконтроллеров AVR для начинающих — 143
  • Трехканальный термостат, терморегулятор, таймер на ATmega8 — 71
  • Двухканальный термостат, терморегулятор на ATmega8 — 67

Подключение шагового двигателя к микроконтроллеру AVR ATmega16

Шаговые двигатели – это бесщеточные двигатели постоянного тока, которую могут вращаться от 00 до 3600 дискретными шагами. С каждым управляющим сигналом ось такого двигателя поворачивается на фиксированное значение (шаг). Управление вращением подобных двигателей осуществляется последовательностью специальных сигналов. В отличие от серводвигателей шаговые двигатели могут управляться контактами ввода-вывода общего назначения, а не только контактами ШИМ модуляции, и могут вращаться на (+3600) и (-3600). Последовательность следования управляющих сигналов определяет будет ли шаговый двигатель вращаться по часовой или против часовой стрелки. Для управления скоростью вращения такого двигателя необходимо просто изменять уровень управляющих сигналов. У шаговых двигателей есть несколько режимов шагового (дискретного) вращения – на полный шаг, на половину шага и на микрошаг.

В этом проекте мы будем подключать шаговый двигатель 28BYJ-48 к микроконтроллеру ATmega16 (семейство AVR), используя программу Atmel Studio 7.0. Шаговый двигатель будет работать при напряжении питания 5В. Мы будем подключать шаговый двигатель к микроконтроллеру с помощью драйверов электродвигателей ULN2003 и L293 (по отдельности). Оба будут запитываться напряжением 5В.

Примеры шаговых двигателей

Как следует из их названия, вращение шаговых электродвигателей представляет собой серию коротких шагов. В этом и состоит их отличие от двигателей свободного вращения — шаговый двигатель сделает столько шагов, сколько ему будет задано, и вы будете точно знать, сколько он их сделал. Это одна из причин, почему шаговые двигатели широко применяются как в обычных, так и в ЗD-принтерах. В обычных принтерах они точно позиционируют бумагу, а в ЗD — рабочий столик и сопло.

На представленном рисунке представлены три образца шаговых электродвигателей. Миниатюрные электродвигатели типа тех, что показан слева, служат для перемещения элементов объектива в компактной фотокамере или смартфоне. В центре находится шаговый мотор-редуктор с питанием 5В — в его корпусе заключен и шаговый электродвигатель, и редуктор. Справа изображен шаговый электродвигатель, типичный дл я принтеров.

Принцип работы биполярного шагового электродвигателя

На следующем рисунке показана схема работы биполярного шагового электродвигателя. О другом типе шаговых электродвигателей — униполярных – можно прочитать в соответствующих источниках. В биполярном шаговом двигателе, как правило, имеются четыре катушки. Катушки, расположенные одна против другой, соединены так, что работают синхронно.
Все катушки расположены на неподвижном статоре двигателя, а значит, нет необходимости во вращающемся коллекторе и щетках, как у двигателей постоянного тока.

Ротор шагового электродвигателя выполнен в форме намагниченных зубцов с чередующимися северным (С) и южным (Ю) полюсами (зубцов на роторе обычно гораздо больше, чем показано на представленном рисунке). Каждую катушку можно подключить так, что она будет намагничена или как северный полюс, или как южный, — в зависимости от направления тока в катушке. Катушки 1 и 3 работают совместно так, что когда катушка 1 будет южным полюсом, катушка 3 также будет южным полюсом. То же самое относится и к катушкам 2 и 4.

Читайте также:  Как правильно пишется слово жёстче, пожёстче правописание, правило, примеры, морфологический разбор

Начнем с варианта рисунка под буквой «а» — когда катушка 1 , а значит, и катушка 3 запитаны так, что становятся южными полюсами (Ю), вследствие того, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, ротор поворачивается против часовой стрелки до тех пор, пока ближайшие зубцы ротора с намагниченностью северного полюса (С) не поравняются с катушками 1 и 3 (как показано на «б»).
Чтобы продолжить вращение против часовой стрелки, на следующем шаге (рисунок «в») необходимо подать ток в катушки 2 и 4 так, чтобы они стали северными полюсами (С). Тогда ближайшие зубцы ротора с намагниченностью Ю подтянутся к катушкам 2 и 4 (рисунок «г»).

Каждое такое действие проворачивает ротор электродвигателя на один шаг. Для продолжения вращения против часовой стрелки в катушке 1 снова нужно создать намагниченность С (см. представленную таблицу).

Таблица 1. Последовательность действий при вращении шагового двигателя против часовой стрелки

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю
С
С
Ю

Прочерки в графах таблицы 1 указывают на то, что катушка в этот момент не оказывает влияния на вращение ротора и должна быть обесточена. Чтобы усилить момент вращения двигателя, на эти обесточенные катушки можно подать такой ток, чтобы полярность их намагниченности совпадала с полярностью стоящего под ней зубца ротора (таблица 2).

Таблица 2. Уточненная последовательность переключения катушек при вращении шагового двигателя

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю С
С С
С Ю
Ю Ю

Для изменения направления вращения ротора нужно всего лишь изменить порядок переключения катушек, указанный в таблице 2, на обратный.

Необходимые компоненты

Микроконтроллер ATmega16
Источник питания с напряжением 5 Вольт
Программатор AVR-ISP, USBASP или другой подобный
Кварцевый генератор 16 МГц
Шаговый двигатель 28BYJ-48
Драйвер двигателя ULN2003/ L293D
Конденсатор 100 нФ (2 шт.)
Конденсатор 22 пФ (2 шт.)
Кнопка
Соединительные провода
Макетная плата
Светодиод

Маркировка контактов шагового двигателя

Представлена на следующем рисунке.

Как видим, схема контактов шагового двигателя как будто специально «заточена» под то, чтобы подключать его к соответствующим драйверам (ULN2003 или L293D).

Назначение контактов микросхемы ULN2003 (драйвера мотора) приведено на следующем рисунке.

Внешний вид этого драйвера мотора выглядит следующим образом:

Внешний вид драйвера мотора L293D приведен на следующем рисунке:

Работа схемы

В следующих двух таблицах представлены схемы соединений входных и выходных контактов драйверов моторов ULN2003 или L293D с микроконтроллером AVR ATmega16 и шаговым электродвигателем.

Atmega16 ULN2003 L293D
A0 IN1(PIN1) IN1(PIN2)
A1 IN2(PIN2) IN2(PIN7)
A2 IN3(PIN3) IN3(PIN10)
A3 IN4(PIN4) IN4(PIN15)
Шаговый двигатель ULN2003 L293D
Orange OUT1(PIN16) OUT1(PIN3)
Yellow OUT2(PIN15) OUT2(PIN6)
Pink OUT3(PIN14) OUT3(PIN11)
Blue OUT4(PIN13) OUT4(PIN14)

Схема устройства с драйвером мотора ULN2003 приведена на следующем рисунке.

Схема этой же самой конструкции, но с драйвером мотора L293D, будет выглядеть следующим образом.

Внешний вид устройства с использованием ULN2003 приведен в начале статьи, а с использованием L293D он будет выглядеть следующим образом:

Соедините все компоненты устройства в соответствии с приведенной схемой соединений (одной из двух). Для управления шаговым двигателем мы будем использовать PORTA микроконтроллера Atmega16. К контактам шагового двигателя нет необходимости подключать питание – для управления им нам понадобятся только контакты его катушек (coil pins) – верно для ULN2003, для L293D немного по другому. Очень важен порядок контактов для того чтобы шаговый двигатель работал корректно. Для микросхемы ULN2003 используются четыре ее входа и четыре ее выхода – входы соединяются с контактами PORTA микроконтроллера, а выходы – с сигнальными контактами шагового двигателя. Также подсоедините кнопку к контакту сброса (Reset pin) чтобы иметь возможность осуществлять сброс микроконтроллера Atmega16 всегда, когда нам это понадобится. Подсоедините к микроконтроллеру кварцевый генератор. Все устройство должно быть запитано напряжением 5В.

Исходный код программы на языке С (Си) с пояснениями

Приведенный в этом разделе код программы демонстрирует вращение шагового двигателя под управлением микроконтроллера AVR в обе стороны: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если вы хотите вращать шаговый двигатель только в одну сторону – просто закомментируйте ненужную часть кода.

int main(void)
<
DDRA = 0x0F; /* конфигурируем PORTA на выход */
int period = 6; /* устанавливаем период (задержку) между двумя шагами */
while (1)
<
/* вращаем шаговый двигатель по часовой стрелке */
for(int i=0;i

Видео, демонстрирующее работу схемы

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.

Читайте также:  Лада Калина 1 реле и предохранители

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Что такое шина LIN — CAN Hacker
CAN-BUS адаптер - незаменим при установке магнитолы! Студия автозвука Электросила, Киев ✆ +38 (066) 607-45-19 ✆+38 (068) 359-71-76 Главная Услуги...
Что такое клапан адсорбера, признаки неисправности клапана абсорбера
Что такое адсорбер в автомобиле, сколько служит, признаки неисправности, как заменить Вопрос экологии давно стоит ребром перед крупнейшими производителями автомобилей...
Что такое климат-контроль в автомобиле
Что такое климат контроль, как работает, неполадки, ошибки Одно из удобств современных транспортных средств — это наличие климат-контроля, кондиционера. Многие...
Что такое энкодер и для чего он нужен
Эндокер Коротко энкодеры можно назвать преобразователями угловых перемещений. Они служат для модификации угла поворота объекта вращения, например, вала какого-либо механизма,...

Шаговый двигатель принцип действия, виды, режимы работы

Система управления шаговым двигателем ZETLAB

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом 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.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.


Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый двигатель) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов.


Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.


Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге


Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге


Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).

Читайте также:  Можно ли ездить на липучках летом эксплуатация зимних шин 1


Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).


Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.


Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Мир микроконтроллеров

Популярное

  • Устройство и программирование микроконтроллеров AVR для начинающих — 143
  • Трехканальный термостат, терморегулятор, таймер на ATmega8 — 71
  • Двухканальный термостат, терморегулятор на ATmega8 — 67

Подключение шагового двигателя к микроконтроллеру AVR ATmega16

Шаговые двигатели – это бесщеточные двигатели постоянного тока, которую могут вращаться от 00 до 3600 дискретными шагами. С каждым управляющим сигналом ось такого двигателя поворачивается на фиксированное значение (шаг). Управление вращением подобных двигателей осуществляется последовательностью специальных сигналов. В отличие от серводвигателей шаговые двигатели могут управляться контактами ввода-вывода общего назначения, а не только контактами ШИМ модуляции, и могут вращаться на (+3600) и (-3600). Последовательность следования управляющих сигналов определяет будет ли шаговый двигатель вращаться по часовой или против часовой стрелки. Для управления скоростью вращения такого двигателя необходимо просто изменять уровень управляющих сигналов. У шаговых двигателей есть несколько режимов шагового (дискретного) вращения – на полный шаг, на половину шага и на микрошаг.

В этом проекте мы будем подключать шаговый двигатель 28BYJ-48 к микроконтроллеру ATmega16 (семейство AVR), используя программу Atmel Studio 7.0. Шаговый двигатель будет работать при напряжении питания 5В. Мы будем подключать шаговый двигатель к микроконтроллеру с помощью драйверов электродвигателей ULN2003 и L293 (по отдельности). Оба будут запитываться напряжением 5В.

Примеры шаговых двигателей

Как следует из их названия, вращение шаговых электродвигателей представляет собой серию коротких шагов. В этом и состоит их отличие от двигателей свободного вращения — шаговый двигатель сделает столько шагов, сколько ему будет задано, и вы будете точно знать, сколько он их сделал. Это одна из причин, почему шаговые двигатели широко применяются как в обычных, так и в ЗD-принтерах. В обычных принтерах они точно позиционируют бумагу, а в ЗD — рабочий столик и сопло.

На представленном рисунке представлены три образца шаговых электродвигателей. Миниатюрные электродвигатели типа тех, что показан слева, служат для перемещения элементов объектива в компактной фотокамере или смартфоне. В центре находится шаговый мотор-редуктор с питанием 5В — в его корпусе заключен и шаговый электродвигатель, и редуктор. Справа изображен шаговый электродвигатель, типичный дл я принтеров.

Принцип работы биполярного шагового электродвигателя

На следующем рисунке показана схема работы биполярного шагового электродвигателя. О другом типе шаговых электродвигателей — униполярных – можно прочитать в соответствующих источниках. В биполярном шаговом двигателе, как правило, имеются четыре катушки. Катушки, расположенные одна против другой, соединены так, что работают синхронно.
Все катушки расположены на неподвижном статоре двигателя, а значит, нет необходимости во вращающемся коллекторе и щетках, как у двигателей постоянного тока.

Ротор шагового электродвигателя выполнен в форме намагниченных зубцов с чередующимися северным (С) и южным (Ю) полюсами (зубцов на роторе обычно гораздо больше, чем показано на представленном рисунке). Каждую катушку можно подключить так, что она будет намагничена или как северный полюс, или как южный, — в зависимости от направления тока в катушке. Катушки 1 и 3 работают совместно так, что когда катушка 1 будет южным полюсом, катушка 3 также будет южным полюсом. То же самое относится и к катушкам 2 и 4.

Читайте также:  Мемориал Линкольна (Lincoln Memorial) в Вашингтоне, США - фото, описание, история, карта

Начнем с варианта рисунка под буквой «а» — когда катушка 1 , а значит, и катушка 3 запитаны так, что становятся южными полюсами (Ю), вследствие того, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, ротор поворачивается против часовой стрелки до тех пор, пока ближайшие зубцы ротора с намагниченностью северного полюса (С) не поравняются с катушками 1 и 3 (как показано на «б»).
Чтобы продолжить вращение против часовой стрелки, на следующем шаге (рисунок «в») необходимо подать ток в катушки 2 и 4 так, чтобы они стали северными полюсами (С). Тогда ближайшие зубцы ротора с намагниченностью Ю подтянутся к катушкам 2 и 4 (рисунок «г»).

Каждое такое действие проворачивает ротор электродвигателя на один шаг. Для продолжения вращения против часовой стрелки в катушке 1 снова нужно создать намагниченность С (см. представленную таблицу).

Таблица 1. Последовательность действий при вращении шагового двигателя против часовой стрелки

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю
С
С
Ю

Прочерки в графах таблицы 1 указывают на то, что катушка в этот момент не оказывает влияния на вращение ротора и должна быть обесточена. Чтобы усилить момент вращения двигателя, на эти обесточенные катушки можно подать такой ток, чтобы полярность их намагниченности совпадала с полярностью стоящего под ней зубца ротора (таблица 2).

Таблица 2. Уточненная последовательность переключения катушек при вращении шагового двигателя

Катушки 1 и 3 Катушки 2 и 4
Ю С
С С
С Ю
Ю Ю

Для изменения направления вращения ротора нужно всего лишь изменить порядок переключения катушек, указанный в таблице 2, на обратный.

Необходимые компоненты

Микроконтроллер ATmega16
Источник питания с напряжением 5 Вольт
Программатор AVR-ISP, USBASP или другой подобный
Кварцевый генератор 16 МГц
Шаговый двигатель 28BYJ-48
Драйвер двигателя ULN2003/ L293D
Конденсатор 100 нФ (2 шт.)
Конденсатор 22 пФ (2 шт.)
Кнопка
Соединительные провода
Макетная плата
Светодиод

Маркировка контактов шагового двигателя

Представлена на следующем рисунке.

Как видим, схема контактов шагового двигателя как будто специально «заточена» под то, чтобы подключать его к соответствующим драйверам (ULN2003 или L293D).

Назначение контактов микросхемы ULN2003 (драйвера мотора) приведено на следующем рисунке.

Внешний вид этого драйвера мотора выглядит следующим образом:

Внешний вид драйвера мотора L293D приведен на следующем рисунке:

Работа схемы

В следующих двух таблицах представлены схемы соединений входных и выходных контактов драйверов моторов ULN2003 или L293D с микроконтроллером AVR ATmega16 и шаговым электродвигателем.

Atmega16 ULN2003 L293D
A0 IN1(PIN1) IN1(PIN2)
A1 IN2(PIN2) IN2(PIN7)
A2 IN3(PIN3) IN3(PIN10)
A3 IN4(PIN4) IN4(PIN15)
Шаговый двигатель ULN2003 L293D
Orange OUT1(PIN16) OUT1(PIN3)
Yellow OUT2(PIN15) OUT2(PIN6)
Pink OUT3(PIN14) OUT3(PIN11)
Blue OUT4(PIN13) OUT4(PIN14)

Схема устройства с драйвером мотора ULN2003 приведена на следующем рисунке.

Схема этой же самой конструкции, но с драйвером мотора L293D, будет выглядеть следующим образом.

Внешний вид устройства с использованием ULN2003 приведен в начале статьи, а с использованием L293D он будет выглядеть следующим образом:

Соедините все компоненты устройства в соответствии с приведенной схемой соединений (одной из двух). Для управления шаговым двигателем мы будем использовать PORTA микроконтроллера Atmega16. К контактам шагового двигателя нет необходимости подключать питание – для управления им нам понадобятся только контакты его катушек (coil pins) – верно для ULN2003, для L293D немного по другому. Очень важен порядок контактов для того чтобы шаговый двигатель работал корректно. Для микросхемы ULN2003 используются четыре ее входа и четыре ее выхода – входы соединяются с контактами PORTA микроконтроллера, а выходы – с сигнальными контактами шагового двигателя. Также подсоедините кнопку к контакту сброса (Reset pin) чтобы иметь возможность осуществлять сброс микроконтроллера Atmega16 всегда, когда нам это понадобится. Подсоедините к микроконтроллеру кварцевый генератор. Все устройство должно быть запитано напряжением 5В.

Исходный код программы на языке С (Си) с пояснениями

Приведенный в этом разделе код программы демонстрирует вращение шагового двигателя под управлением микроконтроллера AVR в обе стороны: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если вы хотите вращать шаговый двигатель только в одну сторону – просто закомментируйте ненужную часть кода.

int main(void)
<
DDRA = 0x0F; /* конфигурируем PORTA на выход */
int period = 6; /* устанавливаем период (задержку) между двумя шагами */
while (1)
<
/* вращаем шаговый двигатель по часовой стрелке */
for(int i=0;i

Видео, демонстрирующее работу схемы

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.

Читайте также:  Выбираем сверлильный станок для своей мастерской

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Что такое шина LIN — CAN Hacker
CAN-BUS адаптер - незаменим при установке магнитолы! Студия автозвука Электросила, Киев ✆ +38 (066) 607-45-19 ✆+38 (068) 359-71-76 Главная Услуги...
Что такое клапан адсорбера, признаки неисправности клапана абсорбера
Что такое адсорбер в автомобиле, сколько служит, признаки неисправности, как заменить Вопрос экологии давно стоит ребром перед крупнейшими производителями автомобилей...
Что такое климат-контроль в автомобиле
Что такое климат контроль, как работает, неполадки, ошибки Одно из удобств современных транспортных средств — это наличие климат-контроля, кондиционера. Многие...
Что такое энкодер и для чего он нужен
Эндокер Коротко энкодеры можно назвать преобразователями угловых перемещений. Они служат для модификации угла поворота объекта вращения, например, вала какого-либо механизма,...
Adblock detector