Шаговый двигатель

Драйвер для управления шаговым двигателем

Драйвер – это устройство, которое связывает контроллер и шаговый двигатель. Для управления биполярным шаговым двигателем чаще всего используется драйверы L298N и ULN2003.

Работа двигателя в биполярном режиме имеет несколько преимуществ:

• Увеличение крутящего момента на 40% по сравнению с униполярными двигателями;
• Возможность применения двигателей с любой конфигурацией фазной обмотки.

Но существенным минусов в биполярном режиме является сложность самого драйвера. Драйвер униполярного привода требует всего 4 транзисторных ключа, для обеспечения работы драйвера биполярного привода требуется более сложная схема. С каждой обмоткой отдельно нужно проводить различные действия – подключение к источнику питания, отключение. Для такой коммутации используется схема-мост с четырьмя ключами.

Драйвер шагового двигателя на базе L298N

Этот мостовой драйвер управляет двигателем с током до 2 А и питанием до 46В. Модуль на основе драйвера L298N состоит из микросхемы L298N, системы охлаждения, клеммных колодок, разъемов для подключения сигналов, стабилизатора напряжения и защитных диодов.

Драйвер двигателя L298N

Драйвер шагового двигателя ULN2003

Описание драйвера шаговых двигателей UNL2003

Шаговые двигателями с модулями драйверов на базе ULN2003 – частые гости в мастерских Ардуино благодаря своей дешевизне и доступности. Как правило, за это приходится платить не очень высокой надежностью и точностью.

Другие драйвера

Существует другой вид драйверов –  STEP/DIR драйверы. Это аппаратные модули, которые работают по протоколу STEP/DIR для связи с микроконтроллером. STEP/DIR драйверы расширяют возможности:

• Они позволяют стабилизировать фазные токи;
• Возможность установки микрошагового режима;
• Обеспечение защиты ключа от замыкания;
• Защита от перегрева;
• Оптоизоляция сигнала управления, высокая защищенность от помех.

В STEP/DIR драйверах используется 3 сигнала:

• STEP – импульс, который инициирует поворот на шаг/часть шага в зависимости от режима. От частоты следования импульсов будет определяться скорость вращения двигателя.
• DIR – сигнал, который задает направление вращения. Обычно при подаче высокого сигнала производится вращение по часовой стрелке. Этот тип сигнала формируется перед импульсом STEP.
• ENABLE – разрешение/запрет работы драйвера. С помощью этого сигнала можно остановить работу двигателя в режиме без тока удержания.

Одним из самых недорогих STEP/DIR драйверов является модуль TB6560-V2. Этот драйвер обеспечивает все необходимые функции и режимы.

Как подключить шаговый двигатель к Ардуино

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• драйвер шагового двигателя ULN2003;
• шаговый двигатель 28BYJ-48;
• провода «папа-мама».

Схема подключения шагового двигателя к Arduino UNO

Управление шаговым двигателем через Ардуино производится путем подачи импульсов на обмотки мотора в определенной последовательности. Для облегчения управления шаговым мотором созданы специальные библиотеки stepper.h и accelstepper.h, но можно вращать вал мотора без стандартных библиотек. Подключите шаговый мотор к микроконтроллеру, как на схеме выше и загрузите следующий скетч.

Скетч для управления шаговым двигателем

// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino
#define in1 8
#define in2 9
#define in3 10
#define in4 11

int dl = 5; // время задержки между импульсами

void setup() {
    pinMode(in1, OUTPUT);
    pinMode(in2, OUTPUT);
    pinMode(in3, OUTPUT);
    pinMode(in4, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(in1, HIGH); 
    digitalWrite(in2, LOW); 
    digitalWrite(in3, LOW); 
    digitalWrite(in4, HIGH);
    delay(dl);

    digitalWrite(in1, HIGH); 
    digitalWrite(in2, HIGH); 
    digitalWrite(in3, LOW); 
    digitalWrite(in4, LOW);
    delay(dl);

    digitalWrite(in1, LOW); 
    digitalWrite(in2, HIGH); 
    digitalWrite(in3, HIGH); 
    digitalWrite(in4, LOW);
    delay(dl);

    digitalWrite(in1, LOW); 
    digitalWrite(in2, LOW); 
    digitalWrite(in3, HIGH); 
    digitalWrite(in4, HIGH);
    delay(dl);
}

Пояснения к коду:

1. вместо портов 8,9,10,11 можно использовать любые цифровые порты;
2. время задержки в миллисекундах можно изменять, чем меньше задержка в программе, тем быстрее будет вращаться вал мотора;
3. алгоритм работы программы, представлен на следующей картинке.

Последовательность включения обмоток шагового мотора

Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем

В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper.h для написания программ шаговых двигателей. Основные функции в этой библиотеке:

• Stepper(количество шагов, номера контактов). Эта функция создает объект Stepper, которая соответствует подключенному к плате Ардуино двигателю. Аргумент – контакты на плате, к которым подключается двигатель, и количество шагов, которые совершаются для полного оборота вокруг своей оси. Информацию о количестве шагов можно посмотреть в документации к мотору. Вместо количества шагов  может быть указан угол, который составляет один шаг. Для определения числа шагов, нужно разделить 360 градусов на это число.
• Set Speed(long rpms) – функция, в которой указывается скорость вращения. Аргументом является положительное целое число, в котором указано количество оборотов в минуту. Задается после функции Step().
• Step(Steps) –поворот на указанное количество шагов. Аргументом может быть либо положительное число – поворот двигателя по часовой стрелке, либо отрицательное – против часовой стрелки.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Подключение будет рассмотрено на примере униполярного двигателя 28BYj-48 и драйверов L298 и ULN2003. В качестве платы будет использоваться Arduino Uno.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Еще один вариант схемы с использованием L298:

Подключение шагового двигателя к Ардуино на базе L298

Схема подключения на базе ULN2003 изображена на рисунке ниже. Управляющие выходы с драйвера IN1-IN4 подключаются к любым цифровым контактам на Ардуино. В данном случае используются цифровые контакты 8-11. Питание подключается к 5В. Также для двигателя желательно использовать отдельный источник питания, чтобы не перегрелась плата Ардуино.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Принципиальная схема подключения.

Принципиальная схема подключения шагового двигателя

Еще одна схема подключения биполярного шагового двигателя Nema17  через драйвер L298 выглядит следующим образом.

Сервопривод

Сервопривод, как мы уже сказали ранее — это обычный мотор с дополнительно установленным датчиком контроля, выполняющим функцию обратной связи.

При работе мотор будет удерживаться в заданном положении с помощью контроллера. Такой принцип взаимосвязи позволяет добиться высокой скорости и точности оборудования вплоть до одного микрона.

Если на обычный электродвигатель подать напряжение, он будет вращаться.

Чтобы зафиксировать движение в одном положении и при этом не заставить его двигаться в обратном, контроллер должен постоянно переключать ток двигателя на противоположенный, пока не поступит следующая команда.

При таком подходе пропуск шагов исключен, так как энкодер постоянно отслеживает отклонения вала и корректирует ошибку, меняя каждый раз направление движения двигателя.

Недостатки сервоприводов:

• дорогостоящий ремонт;
• высокая стоимость.

Свежие комментарии

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. 

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. 

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. 

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

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

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. 

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

Принцип работы шагового двигателя

В зависимости от конструкции, сегодня применяются три вида шаговых двигателей: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели. У двигателей с постоянным магнитом число шагов на один оборот вала доходит до 48, то есть один шаг соответствует повороту вала на 7,5°. Гибридные двигатели обеспечивают не меньше 400 шагов на один оборот (угол шага 0,9°).

Фото. Устройство шагового мотора в разрезе

Подсчитав количество сделанных шагов, можно определить точный угол поворота ротора. Таким образом, шаговый двигатель является сегодня идеальным приводом в 3D принтерах, станках с ЧПУ и в другом промышленном оборудовании. Это лишь краткий обзор устройства и принципа работы stepper motor, нас больше интересует, как осуществляется управление шаговым двигателем с помощью Ардуино.

Драйвер шагового двигателя Ардуино

Шаговый двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель, как и все двигатели, он преобразует электрическую энергию в механическую. В отличие от двигателя постоянного тока в которых происходит вращение вала, вал шаговых двигателей совершает дискретные перемещения, то есть вращается не постоянно, а шагами. Каждый шаг вала (ротора) представляет собой часть полного оборота.

Фото. Виды драйверов для управления шаговым двигателем

Вращение вала двигателя осуществляется с помощью сигнала, который управляет магнитным полем катушек в статоре драйвера. Сигнал генерирует драйвер шагового двигателя. Магнитное поле, возникающее при прохождении электрического тока в обмотках статора, заставляет вращаться вал, на котором установлены магниты. Количество шагов задаются в программе с помощью библиотеки Arduino IDE.

Схема подключения шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino Uno через драйвер ULN2003 изображена на рисунке ниже. Основные характеристики мотора 28BYJ-48: питание от 5 или 12 Вольт, 4-х фазный двигатель, угол шага 5,625°. Порты драйвера IN1 — IN4 подключаются к любым цифровым выводам платы Arduino Mega или Nano. Светодиоды на модуле служат для индикации включения катушек двигателя.

Шаг и инкремент

Наиболее простым вариантом является подача одиночных импульсов от управляющей схемы. В этом случае, к примеру, двигатель за один раз поворачивает ведущую звездочку конвейера на какое-то расстояние вперед. Следует заметить, что при подаче массивного механизма вперед только на один шаг еще более усугубляется проблема вибрации, да и значительная инерция дает о себе знать.

В таких случаях куда более оправданно использовать шаговый двигатель, который может за один управляющий импульс делать несколько движений. Также не помешает использовать звездочку с более мелкими зубьями. К слову, каждое такое движение называется инкрементом.

В описываемых нами случаях инкремент равен одному и нескольким шагам соответственно. После каждого цикла двигатель на какое-то время останавливается, после чего все повторяется сначала. Это называется инкрементным движением и инкрементным управлением соответственно.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
2. Гибридные синхронные двигатели.
3. Вентильные реактивные двигатели.
4. Шаговые двигатели Лавета.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

Унифилярные:

1. Красный, желтый – первая обмотка.
2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.

Бифилярные:

1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Системы управления с разомкнутой цепью (без обратной связи)

Чаще всего это оборудование управляется специальной электронной схемой. Питается оно только от источника переменного тока. Такие двигатели часто используются в схемах, где требуется управление частотой вращения. Это позволяет избежать необходимости использования дорогого и сложного контура обратной связи, да и защита электродвигателя становится проще (требуется только предусмотреть быстрое обесточивание).

Данный принцип работы применяют в схемах с разомкнутой связью. Следует помнить, что указанная схема (без контура обратной связи) выгодна с экономической точки зрения, но у нее есть ряд существенных ограничений.

Так, поворот ротора является достаточно нестабильным, колебательным, отчего частота вращения и прочие характеристики движения ни в коем случае не могут быть настолько же точными, каковыми они являются в двигателях постоянного тока с контуром обратной связи. Для расширения сферы применения шагового двигателя требуется изыскивать способы снижения вибрации.

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс.  У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите.  Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

Использование

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10—20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 и др. — размер фланца 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс⋅см, NEMA 34 до 120 кгс⋅см и до 210 кгс⋅см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговый электродвигатель с интегрированным контроллером

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:

• без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя;
• возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100 %, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).