Как управлять шаговым двигателем вручную – особенности

Шаговый двигатель, будучи разработанным еще 200 лет назад, является необычайно интересным устройством, обладающим индивидуальными особенностями. Подробно о том, что собой представляет данный агрегат, какими он обладает достоинствами и недостатками, а также как управлять шаговым двигателем вручную, можно узнать, ознакомившись с информацией ниже.

Что собой представляет шаговый двигатель?

Чтобы иметь четкое представление о том, как управлять шаговым двигателем, прежде всего следует ознакомиться с тем, что он собой представляет.

Шаговый двигатель – это электрический мотор, в котором за счет импульсного электропитания происходит перемещение роторной части на заданный угол. Все разновидности шаговых электрических моторов относятся к классу бесколлекторных.

Важно! При осуществлении запуска мотора создается небольшой момент. При этом двигатель способен демонстрировать отличные характеристики, даже находясь в состоянии покоя.

Для управления шаговым мотором используются дискретные импульсы. Их формирование производится непосредственно на драйвере электрического двигателя.

Сфера применения шаговых двигателей

Также перед рассмотрением того, как управлять шаговым двигателем, будет нелишним ознакомиться со сферами применения данного механизма. Его можно встретить в:

·      периферийных устройствах, применяющихся для осуществления функционирования вычислительных машин;

·      станках, оснащенных числовым программным управлением;

·      установках, применяющихся для считывания информации с оптических дисковых накопителей;

·      устройствах компьютерной памяти;

·      перфораторах и ряде иных строительных приспособлений.

Важно! Наиболее активно при создании всевозможных установок используются именно двухфазные гибридные электрические моторы. Помимо этого, рассматриваемые механизмы нередко можно встретить в электрических установках, функционирующих по схеме «старт – стоп».

Типы и конструктивные особенности

Помимо прочего, для лучшего понимания того, как управлять шаговым двигателем, следует рассмотреть его основные разновидности. Шаговые моторы отличаются по конструкции ротора, разновидности применяемых обмоток, а также типу управления. На каждой из перечисленных особенностей стоит остановиться подробнее.

Отличия в конструкции ротора

Во многом именно от ротора зависит, с какой скоростью он будет вращаться и в каких режимах электрический двигатель способен функционировать. В связи с этим двигатели могут быть:

1.    Реактивными. Их основной особенностью является отсутствие роторного магнита. Чтобы снизить индуктивные потери при работе двигателя, для при его создании применяются специализированным сплавы. Магнитная сила, необходимая для перемещения ротора, создается посредством подачи напряжения со второй пары. В том, что касается функционирования, реактивные двигатели имеют довольно много общего с синхронными агрегатами.

2.    С магнитами. Движущая сила создается посредством применения магнитов.

3.    Смешанными. В одной установке присутствуют сразу несколько движущих факторов.

Каждый из представленных типов двигателей используется в разных направлениях машиностроения.

Отличия в типе обмоток

От того, какое число обмоток используется в электродвигателе, зависит плавность его функционирования. Именно поэтому при выборе мотора стоит обращать на это внимание.

Важно! Есть ошибочное мнение касательно того, что на количество обмоток в моторе прямое влияние оказывает число фаз. Правда в том, что даже двигатель с 2-мя фазами может в своей конструкции иметь 4 и более обмоток.

Разновидности шаговых двигателей:

1. Униполярные. Их главной особенностью является присутствие в конструкции отпайки. Главный минус униполярных двигателей – сравнительно небольшой момент вращения. Как правило, в них используются 5 или 6 выводов.

2. Биполярные. К ним относят моторы, которые для функционирования можно подключать к контроллеру из 4 отпайки. Обмотки могут быть объединены последовательно или в параллель. Чтобы выполнить перенаправление движения тока, используются специальные чипы. Именно они позволяют осуществлять контроль за работой мотора в ручном режиме.

Биполярные двигатели применяются несколько чаще, поскольку способны генерировать тот же момент, но при значительно более компактных размерах самого агрегата.

Отличия в типе управления

Чтобы режимами работы механизма можно было удобно манипулировать, были созданы различные системы управления. Вот наиболее часто встречающиеся из них:

1.  Волновой. При таком типе управления производится возбуждение только одной обмотки. Из-за этого у механизма образуется явный недостаток – малая величина создаваемого момента.

2.    Полношаговый. Все обмотки включаются единовременно.

3.  Полушаговый. В таких моторах производится деление геометрии двигателя на 2 равные части. За счет этого становится возможным обеспечить более высокое расширение при задаче позиции вала механизма.

Второй тип благодаря удовлетворительным техническим характеристикам используется чаще всего.

Принцип работы

Четкое понимание принципа функционирования механизма позволяет легче воспринимать информацию о том, как управлять шаговым двигателем.

Важно! В зависимости от того, к какому виду относится электрический двигатель, его конструктивные особенности могут существенно отличаться. Однако принцип действия для всех механизмов является абсолютно одинаковым.

На статоре имеются 4 обмотки, расположенные друг относительно друга под углом в 90о. При подаче напряжения на первую обмотку ротор совершает перемещение на угол, указанный выше.

При поступлении напряжения на последующие обмотки механизма ротор продолжит движение, пока не совершит полный оборот вокруг своей оси. После этого описанный процесс повторяется снова и так происходит до того, как на обмотки не прекратится подача напряжения.

Если необходимо изменить очередность вращения ротора, нужно начать подавать импульсы в обратном порядке. Все разновидности шаговых электрических двигателей предоставляют пользователю возможность в зависимости от поставленной задачи самостоятельно менять технические характеристики механизма. Делается это непосредственно за счет органов управления, позволяющих подстраивать мотор под разные конфигурации механизмов, в которых тот применяется.

Преимущества и недостатки

Чтобы знать, как управлять шаговым двигателем наиболее эффективно, необходимо иметь представление о его основных достоинствах и недостатках.

К положительным сторонам механизма можно отнести:

1.    Высокую точность. При подаче напряжения на обмотку ротор осуществляет поворот на определенный угол, который задан заранее.

2.    Продолжительный срок эксплуатации установки при условии, что производилось ее своевременное обслуживание.

3.    Стабильность функционирования.

4.    Элементарность ремонтных работы – любой узел агрегата может быть заменен путем «нехитрых» манипуляций.

Минусы у установки рассматриваемого типа также имеются. Вот главные из них:

1.   Малый момент. Единственным выходом в этой ситуации может являться улучшение динамических параметров машины за счет применения специальных драйверов.

2.    Высокий уровень вибрации механизма при работе обусловлен ее конструктивными особенностями.

3.    Трудности с набором скорости вращения ротора.

4.    Риск «проскальзывания» ротора.

Разумеется, указанные выше список слабых и сильных сторон механизма не является исчерпывающим. Однако, его вполне достаточно для того, чтобы понимать, следует ли использовать шаговый мотор в конкретной электрической установке или же имеет смысл отдать предпочтение иному механизму с другими технологическими особенностями.

Основные характеристики

Выбирая нужный механизм, а также попутно изучая информацию том, как управлять шаговым двигателем максимально эффективно, следует разобраться, какими характеристиками он обладает. Ниже представлены основные моменты:

1.    Количество полных шагов. Данный параметр напрямую влияет на то, насколько плавно будет работать двигатель.

2.    Сопротивление обмотки. От этого показателя зависит величина выдаваемого агрегатом напряжения.

3.    Индуктивность фазы.

4.    Допустимый уровень напряжения. Измерение данного параметра осуществляется в соответствии с числом витков.

5.    Номинальный ток функционирования агрегата.

6.    Величина сопротивления изоляционного слоя механизма.

Совет: комплексное понимание всех технических характеристик механизма – один из самых эффективных способов подобрать лучший вариант электрического двигателя для конкретной ситуации.

Подключение шагового двигателя

Чтобы потенциал на обмотки подавался правильно, нужен механизм, который может выдавать один или сразу несколько импульсов в определенной последовательности. С данной задачей призваны справиться полупроводниковые установки, а также драйверы, усиливающие сигнал с пинов микроконтроллера.

Важно! В некоторых случаях фаза двигателя при этом будет потреблять порядка 100 мА, поэтому драйвер может питаться напрямую от платы Arduino.

Каждая клемма контроллера формирует собственный режим функционирования и подачи напряжения. Применение определенных выводов зависит от того, какое именно подключение используется в конкретном случае. В результате получается выполнить корректный подбор скорости вращения ротора. Различают несколько типов схем соединения:

·      биполярная;

·      биполярная с отводом, начинающимся в центре обмотки;

·      униполярная (имеются 4 фазы);

·      униполярная с 4 фазами и параллельным подключением;

·      униполярная с 4 фазами и последовательным подключением.

Какая из них лучше, сказать сложно. Правильнее утверждать, что каждая схема имеет собственный сценарий использования, при котором именно она будет демонстрировать наибольшую эффективность.

Управление шаговым двигателем

Когда все основные моменты, касающиеся технических характеристик, достоинств и недостатков рассматриваемого механизма изучены, можно перейти к вопросу о том, как управлять шаговым двигателем собственными руками.

Чуть ранее рассматривались типы управления шаговым электрическим мотором. Сейчас же на существующих методах управления механизмом стоит остановиться подробнее, рассмотрев их с других функциональных сторон:

1. Волновой метод управления. Предполагает возбуждение одной обмотки, к которой подтягивают роторные полюса. Механизм при этом способен в течении длительного времени выдерживать повышенную нагрузку, поскольку из-за особенностей его конструкции на выходе выдается лишь часть момента.

2. Полношаговый метод управления. Одновременно возбуждаются 2 фазы. Данный метод управления обеспечивает наибольший момент при использовании параллельной схемы подключения. Если же напротив, выполнить соединение обмоток последовательно, то можно добиться максимальных величин тока и напряжения.

3.  Полушаговый метод управления. При нем производится комбинирование сразу двух описанных ранее методов управления. Он позволяет осуществлять последовательную подачу напряжения. Изначально оно подается только на одну катушку, а по том сращу на обе. Данный метод подачи гарантирует фиксацию характеристик на небольших скоростях.

По наличию контроллера все шаровые электродвигатели подразделяются на:

1.    Контроллерные. Их главное преимущество заключается в том, что пользователь имеет возможность управлять агрегатом в разных режимах. Главным элементом подобных устройств является присутствие в системе электронного блока, способного выдавать ряд сигналов в определенной последовательности.

2.   Безконтроллерные. Применяются в Н-мостовых схемах. При этому подразумевают возможность менять полярность для обеспечения реверса устройства. В зависимости от конкретной ситуации конструкция может базироваться как на транзисторном, так и на микросхемном принципе работы. Изначально подача напряжения осуществляется на мост, а уже потом с помощью переключателей токи движется через роторные обмотки.

Как видно, вручную управлять шаговыми двигателями без специальных контроллеров не представляется возможным.

Применения драйвера для управления шаговым двигателем

Драйвер позволяет обеспечивать управление механизмом с учетом текущей обстановки.

Для информации! Можно сказать, что драйвер представляет собой элемент схемы, используемый для регулирования работы обмоток двигателя за счет подачи цифровых сигналов. При этом данные сигналы подаются на конкретные обмотки и только в заранее заданной последовательности, которую можно изначально запрограммировать.

В зависимости от того, какой конкретно применятся драйвер, он также может использоваться для реализации ряда дополнительных функций:

·      осуществления контроля за токовой перегрузкой;

·      снижения подачи тока при продолжительном простое агрегата;

·      обеспечения защиты от эффекта обратной ЭДС.

Все драйверы, позволяющие управлять установкой, подразделяются на аналоговые, цифровые и содержащие в своей конструкции энкодер. Стоит разобраться, как управлять шаговым двигателем с помощью каждого из них.

Аналоговые

Аналоговые драйверы являются наиболее дешевыми и надежными. Позволяют осуществлять переменную подачу импульса на обмотки статора согласно ранее заданной программе. Они способны обеспечить защиту рабочей цепи от коротких замыканий. Плюс к этому, отсутствует риск перегрева драйвера.

Цифровые

Цифровые драйверы являются более современными. Их основу составляет 32-разрядный процессор. Перед осуществлением контроля за работой двигателя можно задать все необходимые системные настройки.

Кроме этого, цифровые драйверы позволяют защитить установку от перегруза, а также выполнить деление по шагам на максимальном уровне. Для цифровых драйверов также характерна автоматическая настройка и уменьшение напряжения по ХХ.

С энкодером

Управление системой с помощью драйвера с энкодером позволяет:

·      постоянно получать обратную связь о состоянии установки;

·      стабильно поддерживать определенные момент и скорость вращения ротора;

·      защититься от токовых перегрузок;

·      снизить нагрев двигателя.

Внимание! Применяя драйверы с энкодерами, можно не опасаться каких-либо задержек в работе механизма.

Приобрести любой из рассмотренных шаговых двигателей, а также сопутствующие механизмы можно, воспользовавшись онлайн-сервисами Яндекс Маркет или OZON.

Теперь вопросов о том, как управлять шаговым двигателем самостоятельно, возникать не должно. При выборе шагового электрического двигателя необходимо прежде всего ориентироваться на задачи, которые тот должен выполнять. Они, в свою очередь, зависят от конкретного типа установки, в которую мотор будет помещен.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос:
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа.