Как подключить шаговый двигатель без контроллера

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии сети в механическую. Конструктивно он состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданное количество импульсов соответствует определенному количеству сделанных шагов. Такие устройства наиболее широко используются в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличие от машин других типов, шаговый двигатель вращается не непрерывно, а ступенчато, отсюда и название устройства. Каждый из этих шагов составляет лишь часть его общего оборота. Количество шагов, необходимых для полного вращения вала, зависит от схемы подключения, марки двигателя и метода управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

Преимущества работы с шаговым двигателем:

• В шаговых двигателях угол поворота соответствует количеству подаваемых электрических сигналов, в то время как после остановки вращения сохраняется полный крутящий момент и затяжка;
• Точное позиционирование — обеспечивает 3-5% заданного шага, который не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость пуска, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью отсутствием трущихся компонентов для сбора тока, в отличие от коллекторных двигателей;
• Шаговый двигатель не требует обратной связи для позиционирования;
• Обеспечивает низкую скорость при прямом приложении нагрузки без редукторов;
• Сравнительно более низкая стоимость, чем у таких же слуг;
• Широкий диапазон регулирования частоты вращения вала обеспечивается изменением частоты электрических импульсов.

К недостаткам использования шагового двигателя можно отнести:

• Может возникнуть резонанс и эффект скольжения шагового блока;
• Есть вероятность потери контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество потребляемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Трудности управления из-за особенностей схемы

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Также существуют два других типа шаговых двигателей — униполярные и биполярные. По сути, эти два типа работают точно так же; электромагниты включаются последовательно, заставляя вращаться центральный вал двигателя.

Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса: положительный и отрицательный.

То есть фактическая разница между двумя типами заключается в том, что для униполярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, который позволит току течь к одному или другому концу катушки. Эти два противоположных направления создают две полярности магнитного поля, эффективно моделируя как положительное, так и отрицательное напряжение.

Хотя оба они используют напряжение питания 5 В, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, создавая более сильное магнитное поле. С другой стороны, однополюсные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в центре катушки, что означает, что для удержания вала на месте доступен меньший крутящий момент.

Управление скоростью двигателя с помощью ШИМ сигнала

Скорость двигателя можно регулировать, уменьшая ток. Для этого вместо постоянного сигнала (на портах PB0, PB1, PB2, PB3) предусмотрен сигнал ШИМ. Суть сигнала ШИМ в том, что это не постоянный сигнал, а быстрое включение и выключение. В этом случае можно изменить интервал отключения и направить на двигатель больший или меньший ток. Чем больше интервал отключения, тем медленнее работает двигатель. В микроконтроллере AVR есть 2 способа получить сигнал ШИМ: программный ШИМ и аппаратный ШИМ.
Программное обеспечение PWM запускается на отдельном контроллере, просто записывая для него программу, этот контроллер подключается к существующему контроллеру, и сигнал идет не напрямую от ATmega16 к IR2101, а через этот контроллер PWM. Это можно сделать на контроллере меньшего размера, например ATtiny2313, программе для ATtiny2313, которая превращает его в программный ШИМ-контроллер, вот она, эта программа на языке ассемблера AVR…

Комментарии к программе

12345678910111213141516171819202122232425262728293031

ldi r16, 0b11111111 out DDRB, r16 ldi r16, 0b00000000 out DDRD, r16 main: in r16, PIND out PORTB, r16 rcall delay1 ldi r16, 0b00000000 out PORTB, r16 rcall delay0 rjmp main delay1: dechor1: 200 perehod1 retard r16 perehod2: decr16 brne perehod2 ret

Записать 1 с в регистр r16 Установить вентиль B на выход Записать 0 в регистр r16 Установить вентиль D на вход Начало основной программы Записать в r16, что находится на вентиле D (чтение) Записать данные, прочитанные на порте B Задержка (чтобы активировать ШИМ на порте D, отправьте 1) Записать 0 в r16 Записать эти 0 в порт B Задержать данные (это всегда 0) Перейти к началу основной программы Запуск функции delay1, которая задерживает 1 Удержание 1 200 операций Конец функции delay1 Начало Функция delay0, которая задерживает 0 Hold 0120 операций Конец функции delay0

Сила тока регулируется изменением цифр 200 и 120. 200 — по времени, 120 — по времени. Сумма 200 + 120 = 320 дает частоту ШИМ 25 кГц (при условии, что контроллер работает на частоте 8 МГц от внутреннего генератора, это настройка по умолчанию, получается 8000000/320 = 25000). Сумма должна оставаться той же, и числа можно менять, чем больше первое число, тем больше ток.
Кроме того, имеется аппаратный ШИМ, который автоматически включает линии в микроконтроллере AVR через таймер / счетчик. Однако есть недостаток: вам нужно использовать прерывание, чтобы прочитать сигнал счетчика таймера и передать его на несколько портов. Ввиду постоянной PWMization и при большом количестве таких портов возникает проблема перегрузки прерываний: если прерывание не укладывается в период PWM, со временем будет инициировано другое прерывание этого типа и контроллер зависнет, но есть а также другие прерывания, которые могут возникнуть в любой момент! Аппаратное обеспечение ШИМ доступно в текущей версии программы микроконтроллера.

Программа для Windows на двигатель

Уже готовую для Windows программу на контроллере USB нужно немного изменить. Соответственно должны решаться комбинации для подачи питания в разные стороны, необходимо изменить значения на портах PB0, PB1, PB2, PB3, следующие комбинации необходимы для запуска двигателя 1010, 0110, 0101, 1001 Перенумеровать их в одну сторону — закрутка в эту сторону, в другую — закрутка назад. 0000 — отключает питание, необходимо по окончании поиска, иначе двигатель перегреется. Сейчас работа над этой программой ведется, так что возьмите ее с контроллера USB, там соединение работает, все остальное по аналогии можно делать по мере надобности.

Программа для робота под Windows

Сморите видео

Несмотря на то, что драйвер, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, система все же может быть проще и дешевле, чем шаговый двигатель плюс коробка передач. В поперечном сечении конструкция напоминает шестеренку с зубьями. Полная схема, описанная в 10 и многократно повторенная на Интернет-сайтах, подходит для использования в качестве тестовой платы. С помощью отключающего резистора, показанного на фото справа, можно установить выходной ток.

Схема содержит двунаправленный двунаправленный драйвер, описанный ранее на D-триггере

Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАП, которые можно использовать для реализации микрошага вместо выделенных контроллеров.

Увеличение или уменьшение напряжения питания ни к чему не приведет, так как скорость задается частотой сети. Направление магнитного поля зависит от того, какой вывод обмотки подключен к положительному потенциалу.

Следовательно, в режиме удержания, поскольку используются 8 бит ЦАП, максимальный ток будет 1 А. В этом случае используется номинальное количество шагов.

Синусоидальный ток фаз можно обеспечить с помощью подходящих драйверов.

Это означает, что в этом режиме невозможно получить полный крутящий момент. Внутри расположены полюсные наконечники в форме ламелей. ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ ВОДИТЕЛЯ!

Основные достоинства

К преимуществам шаговых двигателей можно отнести:

• точное позиционирование, не требующее обратной связи. Угол поворота определяется количеством электрических импульсов;
• полный крутящий момент, который обеспечивает двигатель при снижении скорости вращения и до полной остановки;
• зафиксировать положение шагового двигателя с помощью тока удержания;
• высокая точность управления скоростью вращения без необходимости обратной связи;
• быстрый запуск и остановка двигателя, реверс;
• высокая надежность. Устройства долговечны за счет отсутствия коллекторных щеток.

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип работы шагового двигателя
На рисунке 1 показаны 4 обмотки, принадлежащие статору двигателя, и их расположение расположено под углом 90 ° друг к другу. Из чего следует, что данная машина отличается шагом в 90º.

Когда на первую обмотку подается напряжение U1, ротор перемещается на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 на соответствующие обмотки вал продолжит вращение до тех пор, пока не завершится полный круг. Затем цикл повторяется снова. Чтобы изменить направление вращения, достаточно изменить последовательность импульсов на соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных рабочих параметров важны как размер шага, на который будет перемещаться вал, так и момент, прикладываемый для движения. Вариации этих параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращающийся элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Таким образом, его конструкция и технические характеристики напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы в основном определить тип шагового двигателя, при обесточенной сети необходимо вращать вал, если чувствуется сопротивление, это указывает на наличие магнита, в противном случае это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не имеет магнита на роторе, а изготовлен из магнитомягких сплавов, обычно набирается из пластин для снижения индукционных потерь. В поперечном сечении конструкция напоминает шестеренку с зубьями. Полюса обмоток статора питаются от противоположных пар и создают магнитную силу для перемещения ротора, который перемещается за счет переменного потока электрического тока в парах обмоток.

Переменное сопротивление

Существенным преимуществом этой конструкции шагового привода является отсутствие запирающего момента, создаваемого полем, относительно клапана. По сути, это тот же синхронный двигатель, в котором ротор вращается в соответствии с полем статора. Недостаток — низкое значение крутящего момента. Шаг для реактивного двигателя варьируется от 5 ° до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, у которого может быть два и более полюса. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения на соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

Постоянный магнит

Гибридные

он был разработан, чтобы объединить лучшие качества двух предыдущих моделей, благодаря чему агрегат имеет меньший угол наклона и шаг. Его ротор выполнен в виде постоянного магнита цилиндрической формы, намагниченного по продольной оси. Конструктивно он выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубья ротора из магнитомягкого материала. Это решение обеспечило отличное уплотнение и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Достоинства гибридного шагового двигателя — высокая точность, плавность и скорость передвижения, с малым шагом — от 0,9 до 5 °. Они используются для высокопроизводительных станков с ЧПУ, компьютеров и устройств для офиса и современной робототехники. Единственный недостаток — относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных шаговых двигателей на 200 шагов позиционирования вала. В результате у каждого из цилиндров будет по 50 зубцов, один из них — положительный полюс, второй — отрицательный. В этом случае каждый положительный зуб обращен к канавке отрицательного цилиндра и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение бороздок гибрида

В результате получается 100 чередующихся полюсов с отличной полярностью на валу шагового двигателя. Статор также имеет зубья, как показано на рисунке 6 ниже, за исключением зазоров между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного шагового двигателя

С помощью этой конструкции можно получить смещение одного и того же южного полюса относительно статора в 50 различных положениях. Из-за разницы положения в полуположении между северным и южным полюсами можно перемещаться на 100 позиций, а фазовый сдвиг в четверть деления позволяет удвоить количество шагов за счет последовательного возбуждения, т.е до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что когда ток попарно подается на противоположные обмотки, противоположные полюса ротора, расположенные за зубьями статора, подтягиваются вверх и отталкиваются одноименными, входящими внутрь перед ними по направлению вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель — это многофазный двигатель. Плавность работы в которой напрямую зависит от количества витков: чем их больше, тем плавнее вращение, но и выше стоимость. В этом случае крутящий момент не увеличивается на количество фаз, даже если для нормальной работы их минимальное количество на статоре электродвигателя должно быть не менее двух. Количество фаз не определяет количество обмоток, поэтому двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмоток.

Униполярный

Однополюсный шаговый двигатель отличается тем, что схема подключения обмоток имеет ответвление от средней точки. Это позволяет легко менять магнитные полюса. Обратной стороной этой конструкции является то, что используется только половина доступных оборотов, что приводит к меньшему крутящему моменту. Поэтому они большие по размеру.

Униполярный SD

Чтобы использовать полную мощность катушки, центральную клемму оставляют неподключенной. Рассмотрим конструкцию однополюсных блоков, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится ли центральный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединены вместе.

Схема а) с несколькими, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 контакта. В этом случае обмотки могут быть соединены внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрим пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструкции такого двигателя видна обмотка возбуждения на каждой фазе. По этой причине изменение направления тока требует использования в электронной схеме специальных драйверов (электронных микросхем, предназначенных для управления). Аналогичного эффекта можно добиться, активировав мост H. По сравнению с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает такой же крутящий момент при гораздо меньшем размере.

USB контроллер шаговых двигателей и USB драйвер шагового двигателя

Выбранный нами двигатель является гибридным и поддерживает несколько вариантов управления. Мы будем управлять двигателем биполярным методом, и в результате собираем драйвер биполярного шагового двигателя с контроллером USB. Сначала я покажу конечный результат, потом мы его подробно рассмотрим. Вот фотография собранного мной драйвера шагового двигателя USB:

Драйвер шагового двигателя с USB управлением своими руками

На изображении выше показан биполярный шаговый двигатель NEMA 23 (гибридный) с потреблением 3 А на обмотку. Ниже представлен импульсный источник питания на 360 Вт, 24 В, 15 А. Мощности блока достаточно для одновременного питания 15/3 = 5 обмоток, у одного двигателя 2 обмотки, т.е достаточно для двух двигателей, работающих одновременно время (4 обмотки). Не вижу необходимости включать более одного двигателя одновременно, если необходимо двигаться по криволинейной траектории, то необходимо чередовать короткие зажигания того или иного двигателя. Так что имеющейся мощности хватает с запасом. Электродвигатель и блок питания подключаются к устройству, которое также подключается через USB к компьютеру. Все подключено по схеме.
Схема драйвера биполярного шагового двигателя и USB-контроллера (диаграмма длинная, ее необходимо прокрутить для просмотра):

Драйвер шагового двигателя USB на микроконтроллере AVR своими руками

Электронные компоненты, которые необходимо приобрести для сборки устройства по схеме:
ATmega16A

160 руб

PZ.

КУПИТЬ

Что это: Управление микроконтроллером: 40 строк Программная память: 16 Кб Драйвер IR2101

50 руб

PZ.

КУПИТЬ

Что это: Драйвер ключа Ключи: 2 транзистора Корпус: DIP-8 Транзистор IRF540N

35 руб

PZ.

КУПИТЬ

Что это: Ключ Максимальный ток: 33 А максимальное напряжение: 100 В Стабилитрон 3V6

2руб.

PZ.

КУПИТЬ

Проход: 3,6 В Тип: Понижающий диод 1n4148

2руб.

PZ.

КУПИТЬ

Тип: Нормальный Максимальный ток: 0,15 А максимальное напряжение: 100 В Конденсатор 20 пФ

4 ОТВЕРСТИЯ.

PZ.

КУПИТЬ

Емкость: 20 пФ Тип: Керамический Максимальное напряжение: 50 В Конденсатор 3,3 нФ

4 ОТВЕРСТИЯ.

PZ.

КУПИТЬ

Емкость: 3,3 нФ Тип: керамический максимальное напряжение: 50 В Кварцевый генератор 12

5 ОТВЕРСТИЙ.

PZ.

КУПИТЬ

Частота: 12 МГц Тип: пассивный конденсатор 2A104J

5 ОТВЕРСТИЙ.

PZ.

КУПИТЬ

Тип: пленка Емкость: 0,1 мкФ (мкФ) максимальное напряжение: 100 В Клеммная колодка

15руб.

PZ.

КУПИТЬ

Контакты: 2 Терминал: винтовой, сопротивление 68 Ом

1 руб

PZ.

КУПИТЬ

Сопротивление: 68 Ом Мощность: 0,25 Вт резистор 1,5 кОм

1 руб

PZ.

КУПИТЬ

Сопротивление: 1,5 кОм Мощность: 0,25 Вт Сопротивление 100 Ом

1 руб

PZ.

КУПИТЬ

Сопротивление: 100 Ом Мощность: 0,25 Вт резистор 10 Ом

1 руб

PZ.

КУПИТЬ

Сопротивление: 10 Ом Мощность: 0,25 Вт Сопротивление 0,1 Ом

15руб.

PZ.

КУПИТЬ

Сопротивление: 0,1 Ом Мощность: 5 Вт Тип: цементный кабель USB

50 руб

НЕДОСТУПЕН Вам понадобится 1 штука.

Интерфейс: USB 2.0 Длина: 100 см Совет по развитию

190 руб

PZ.

КУПИТЬ

Размеры: 63 x 2 горизонтальные линии и 4 вертикальные линии

80руб.

PZ.

КУПИТЬ

Тип: Собранный Количество: 40 комплектов кабелей

210 руб

PZ.

КУПИТЬ

Кол-во: 140 Также вам понадобятся (нет в наличии):
1) Модуль питания DC-DC SMAU01L-12 (на его место пойдет любой DC-DC преобразователь с 5В на 10В-15В) — 1 шт., Можно без него, блок питания 5В (не тестировался)
Основным компонентом схемы является программируемый микроконтроллер AVR — ATmega16A, если вы не умеете с ними работать (писать программу), сначала ознакомьтесь с основами такой работы, которые подробно описаны в первой статье
управление автомобилем. Для устройства можно использовать другой микроконтроллер AVR, я выбрал ATmega16A, потому что у него большой запас памяти и контактов для подключения нескольких моторов и большого количества рабочих инструментов.
Слева от ATmega16A расположены компоненты для организации USB-связи: к контактам XTAL подключен внешний кварцевый резонатор с частотой 12 МГц, совместимый с USB. Для ослабления сигнала в нем есть 2 конденсатора по 20 пФ, все подключенные к отрицательной клемме источника питания. Два резистора на 68 Ом подключены к контактам, через которые происходит обмен сообщениями с USB, как того требует протокол USB. Резистор 1,5 кОм, подключенный к линии D, переводит USB-устройство в режим низкой скорости. Стабилитроны 3V6 понижают напряжение на линиях обмена данными USB с 5 до 3,6 В.
Управление двигателем подключается к контактам PB0, PB1, PB2, PB3, двигатели и рабочие инструменты могут быть подключены к оставшимся свободным контактам P в будущем, но пока они пусты. Микроконтроллер ATmega16 выдает команды и обрабатывает USB-сигналы после того, как в него записана программа (об этом будет написано ниже). Далее идет построение микросхем IR2102 и транзисторов IRF540N (2 так называемых H-моста) — управляющих шаговым двигателем.
Драйвер IR2101 нужен для преодоления большой емкости затвора транзистора IRF540N, что позволяет открывать и закрывать транзистор на высокой скорости (например, получать ШИМ-сигнал, который может при необходимости регулировать скорость двигателя — напишу об этом сообщить дальше), что нам и нужно. К сожалению, для питания этого драйвера требуется 10-15В, у нас только 5В от USB. Поэтому мне пришлось установить компонент DC-DC SMAU01L-12, который преобразует 5 В в 12 В, вместо этого вы можете использовать любой другой метод для получения этого напряжения, например, с помощью трансформатора или любым другим способом. + 12V подключается к VCC, -12V к COM. Один драйвер работает с 2-мя транзисторами: верхним (H) и нижним (L). Контакты HIN и LIN являются входным сигналом от микроконтроллера для верхнего и нижнего транзистора, на основе этого сигнала транзисторы открываются и закрываются. HO и LO — выходные сигналы, транзисторы подключены затворами (G) к этим контактам. Подключены они не просто так — справа на линиях 2 резистора 10/100 Ом и диод, они нужны для нормальной работы транзисторов — чтобы они тормозили при открытии и не тормозили при открытии закрытые, эти транзисторы открываются слишком быстро, и это может вызвать проблемы. Диод и конденсаторы 3300 пФ — необходимы для работы драйвера IR2101 согласно документации на эту микросхему.
Каждая обмотка (фаза) мотора (у мотора 2 обмотки А и В — 4 контакта) подключена к мосту H транзисторов IRF540N. H-мост — это специальная схема для соединения транзисторов, которая позволяет подавать на них высокое напряжение (24 В) в разных направлениях. Мост состоит из 4-х транзисторов. В результате здесь вы видите мосты 2 H, которые позволяют передавать разнонаправленное напряжение высокого уровня через 2-метровые обмотки двигателя, а затем вращать его.
Обратите внимание, что в мосте — HIN верхнего драйвера соединяется с LIN нижнего драйвера, а LIN верхнего — с HIN нижнего. Это для одновременной отчетности. Если вы активировали HIN сверху, необходимо активировать LIN снизу, иначе произойдет короткое замыкание. Это соединение позволяет паре автоматически включаться. Однако короткое замыкание все еще возможно, если вы открываете и HIN, и LIN на одном мосту, поэтому не допускайте этого. На контактах PB0 — PB3 допустимы только значения 0000, 1010, 0110, 0101, 1001. Двигатель заставляет их слишком сильно вращаться. Применение других значений, скорее всего, приведет к короткому замыканию моста.
Для защиты от больших токов нужны силовые резисторы малой мощностью 0,1 Ом и большой мощностью (3-5 Вт) — это шунты. Если это можно удалить и заменить простым подключением с отрицательным питанием, если, например, не хватает мощности. Для слабых резисторов мощность берется от тока USB: 0,05А * 5В = 0,25Вт (ток USB задается программно, в нашей программе по умолчанию 0,05). Черная полоса на диодах соответствует вертикальной линии на схеме.
Шаговый двигатель и источник питания подключаются к H-мостам, как показано на схеме. Подключаются минусы питания 24В, 12В и 5В. Сглаживающий пленочный конденсатор помещается между плюсом и минусом линии 24 В.
Отдельное большое фото драйвера шагового двигателя:

Драйвер шагового двигателя своими руками

Немедленно подключите к цепи источник питания высокого уровня (24 В), и я не рекомендую использовать шаговый двигатель. Лучше сначала проверить, правильно ли работает устройство. Для этого в качестве источника питания (3В) можно использовать 5 светодиодов и батарейный отсек. 1 светодиод подключен к выводу PA0 длинной стороной (+), а короткой стороной (-) — к отрицательной стороне источника питания. Этот желтый диод показан на первом фото выше, его нет на схеме. С его помощью можно проверить работу USB-контроллера, включить и выключить его по команде из программы. Подключите два других светодиода вместо первой обмотки шагового двигателя в разнонаправленном положении — одна длинная сторона к первому контакту, другая длинная сторона ко второму контакту. Таким же образом подключите оставшиеся 2 светодиода вместо второй обмотки. Вместо импульсного источника питания 24 В подключите батарейный отсек и батареи 1,5 В (2 батареи по 3 В). Управление устройством — когда вы отправляете команду на запуск двигателя, загораются различные светодиоды. Во время комбинаций все светодиоды должны загореться своевременно. Медленный перебор комбинаций позволяет убедиться, что все работает правильно.
Светодиод

3руб.

PZ.

КУПИТЬ

Цвет: белый Напряжение: 3 В Батарейный отсек

35 руб

PZ.

КУПИТЬ

Места: 2 с проводами Размер батареи: батарейки АА

10 ОТВЕРСТИЙ.

НЕДОСТУПЕН Вам нужно 2 штуки.

Напряжение: 1,5 В Размер: AA

Режимы работы шаговых двигателей:

Для привода шагового двигателя (независимо от его типа) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим: ротор вращается 1 шаг за 1 цикл.
• Полушаговый режим: ротор вращается на ½ шага за 1 цикл.
• Микрошаговый режим: ротор вращается на ¼, ⅛ и так далее за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полный пошаговый режим (пошаговый полный). Номинальные параметры шагового двигателя указаны для этого конкретного режима.

Полношаговый режим (два шага на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти вдвое от номинального.

Полупроходный режим. В этом режиме количество шагов на полный оборот увеличивается вдвое с небольшим уменьшением крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим самый распространенный, он позволяет в 4 раза увеличить количество проходов за один полный оборот, за счет неравномерного распределения токов в обмотках. Уменьшение токов может быть достигнуто за счет снижения напряжения (как показано на рисунке) или подачи полного напряжения через внешнюю подключенную нагрузку.

Если вы отправляете уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Вы можете увеличить количество проходов в 16, 32, 64 раза и так далее, и если вы замените дискретные уровни сигнала синусоидальными волнами, двигатель будет вращаться плавно (без проходов).

Режим пониженного энергопотребления — доступен только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что в них используется только половина фазы (половина электромагнитов). Эти режимы используются редко, поскольку они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Схема подключения шаговых двигателей

для управления шаговым двигателем требуется контроллер. Контроллер — это цепь, которая подает напряжение на любую из четырех катушек статора. Цепи управления довольно сложны по сравнению с обычными электродвигателями и имеют множество функций. Мы не будем рассматривать их здесь подробно, а просто предоставим фрагмент популярного контроллера на ULN2003A.

В общем, шаговые двигатели — отличный способ повернуть что-то на точный угол с большим крутящим моментом. Еще одно их преимущество заключается в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно, изменяя направление вращения на обратное.

Характеристики

Шаговый двигатель — сложное механическое и электрическое устройство. Список основных функций, которые следует учитывать при выборе устройства, включает:

• сопротивление фазной обмотки. Индикатор сопротивления обмотки при работе на постоянном токе;
• количество полных шагов на оборот ротора. Это основной параметр шагового двигателя, от которого зависит точность позиционирования, плавность движения и разрешающая способность;
• полный угол шага. Это значение угла, на который ротор поворачивается за одно движение. Для расчета 360 ° можно разделить на количество ступеней;
• номинальный ток. Наибольшее значение тока, при котором двигатель может работать неограниченное время;
• номинальное напряжение. Максимально допустимое постоянное напряжение на обмотке в статическом режиме шагового двигателя;
• изоляционное сопротивление. Величина сопротивления между корпусом и обмотками;
• момент инерции ротора. Чем меньше инерция ротора, тем быстрее он разгоняется;
• пара. Для шагового двигателя это ключевой механический параметр. Указано максимальное значение для конкретной модели двигателя;
• падение напряжения. Индикатор минимального напряжения, при котором происходит пробой изоляции между корпусом и обмотками;
• фазная индуктивность. Этот параметр учитывается, если требуется высокая скорость вращения двигателя. От этого зависит скорость нарастания тока в обмотке. Если фазы должны переключаться с высокой частотой, необходимо увеличить напряжение для быстрого увеличения тока;
• момент ожидания. Это показатель крутящего момента при остановленном шаговом двигателе и при питании двух фаз номинальным током.

Способы управления шаговыми двигателями

Есть несколько способов управления шаговыми двигателями: полный шаг, полушаг и микрошаг. Каждый из этих стилей предлагает разные пары, высоту и размер.

Полный шаг — у такого агрегата всегда два электромагнита. Чтобы вращать вал, один из электромагнитов выключается, а затем включается электромагнит, заставляя вал вращаться на 1/4 зубца (по крайней мере, для гибридных шаговых двигателей). Этот стиль имеет самый сильный крутящий момент, но также и самый большой шаг.

Полшага. Чтобы вращать центральный вал, первый электромагнит возбуждается как первая ступень, затем второй также возбуждается, и первый все еще работает на второй ступени. На третьем этапе первый электромагнит выключается, четвертый этап — это вращение третьего электромагнита, а второй электромагнит все еще работает. Этот метод использует вдвое больше проходов, чем полный проход, но также имеет меньший крутящий момент.

Из всех этих стилей у микрошага самый маленький размер шага. Крутящий момент, связанный с этим стилем, зависит от того, сколько тока проходит через катушки в любой момент времени, но всегда будет меньше полного шага.

Подключение шагового двигателя

Для питания обмоток необходимо устройство, способное выдавать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. Такие блоки представляют собой полупроводниковые устройства для подключения шагового двигателя, микропроцессорного драйвера. У которого есть серия выходных клемм, каждая из которых определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения необходимо использовать тот или иной вывод пошагового блока. С помощью различных вариантов подведения определенных клемм к выходному сигналу постоянного тока достигается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного движения в плоскости. Поскольку для некоторых задач требуется низкая частота, а для других — высокая частота, один и тот же двигатель может установить параметр через драйвер.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости от того, сколько контактов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 контактов, возможность использования той или иной схемы их подключения будет разной. Посмотрите на рисунки, здесь показаны типовые варианты подключения пошагового механизма:

Схемы подключения для различных типов шаговых двигателей

При условии, что основные полюса шаговой машины запитаны от одного и того же драйвера, по этим схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выходы однозначно подключаются к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток индуктивность обмоток увеличивается, но ток уменьшается.
• Обеспечивает номинальные электрические характеристики. В параллельной цепи ток увеличивается, а индуктивность уменьшается.
• При подключении к одной фазе на обмотку крутящий момент на низких скоростях уменьшается, а величина токов уменьшается.
• После подключения выполняет все электрические и динамические характеристики по паспорту, номинальные токи. Схема управления значительно упрощена.
• Он излучает гораздо больший крутящий момент и используется на высоких скоростях;
• Как и предыдущий, он предназначен для увеличения крутящего момента, но используется на низких скоростях.

Пример работы для Espruino

Управление коллекторными двигателями

Подключите два коллекторных двигателя к клеммным колодкам M1 и M2 соответственно.

Схема устройства

Код программы

Сначала поверните каждый двигатель в одном направлении, а затем в другом.

Код программы

Усложняем задачу. Мы будем постепенно увеличивать скорость первого двигателя до максимальной, а затем уменьшать ее до полного отключения. То же проделываем и со вторым двигателем.

Подключение

Выбранное устройство и схема работы шагового двигателя зависят от следующих факторов:

• общее количество проводов;
• характер запуска.

Есть модели с 4, 5, 6, 8 разъемами; «Четыре» подходят только для биполярных, поскольку они имеют пару фазных обмоток с двумя разъемами и должны обеспечивать непрерывные соединения. «Шестерка» также имеет центральные краны в каждом кольце и поэтому универсально применима ко всем энергоблокам.

Типичные варианты переключения следующие:

Для безотказной работы важно помнить правила подачи номинального напряжения, а также изменения крутящего момента и уменьшения линейной скорости.

Управление шаговым двигателем

Операции с пошаговой установкой можно производить несколькими способами. Каждый из них отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего различают дальность стрельбы по способу активации обмотки.

Волна: в этом режиме возбуждается только одна обмотка, к которой притягиваются полюса ротора. В то же время шаговый двигатель не может тянуть большие нагрузки, так как выдает только половину крутящего момента.

Контроль волн

Полный шаг: в этом режиме фазы переключаются одновременно, т.е обе возбуждаются одновременно. За счет этого обеспечивается максимальный крутящий момент, в случае параллельного или последовательного соединения обмоток будет создано максимальное напряжение или ток.

Полный контроль поля

Полушаг — это комбинация двух предыдущих способов переключения обмоток. При реализации которого в шаговом двигателе напряжение подается поочередно сначала на одну катушку, а затем сразу на две. Это обеспечивает лучшее сцепление с дорогой на максимальной скорости и большее количество проходов.

Полушаговое управление

Для более плавного управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоидальная волна сигнала проходит от импульсов к микрошагам. Благодаря этому силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более равномерное изменение и, как следствие, движение ротора между полюсами. Это может значительно уменьшить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Система H-моста используется для управления бесщеточными двигателями. Что позволяет изменить полярность, чтобы реверсировать шаговый двигатель. Он может работать на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Мостовая схема H

Как видите, от блока питания V на мост подается напряжение. Когда контакты S1 — S4 или S3 — S2 соединены попарно, ток будет течь через обмотки двигателя. Это определит вращение в том или ином направлении.

 

Отдельная благодарность за помощь в создании данной статьи эксперту в области встраиваемых систем Сергею Смыслову (re-engineer.ru)