Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое биполярный шаговый двигатель, его принцип работы, как сделать и установить устройство своими руками, а также где купить такой генератор с редуктором.

Информация о шаговом приводе

Униполярный или биполярный шаговый привод (двигатель) – это специальный бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, который разделяет полный оборот на несколько равных шагов. Для работы этого прибора необходимы специальная деталь: контроллер шагового двигателя.

Шаговый двигатель
Фото — Шаговый двигатель

Поимо магнитных деталей и обмоток, также в нем есть приборная панель (блок управления), сигнализаторы, передатчики.

Контроллер шагового двигателя
Фото — Контроллер шагового двигателя

В основном он используется для шлифовального и фрезерного станка, работы различных бытовых устройств, производственных механизмов и транспортных средств.

Видео: шаговые двигатели

Принцип работы

Когда напряжение прикладывается к клеммам, специальные щетки двигателя начинают непрерывно вращаться. Шаговый движок холостого хода является уникальным благодаря своему важному свойству: преобразовывать поступающие входные импульсы (обычно прямоугольной направленности) в предварительно определенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый импульс перемещает вал под фиксированным углом. Устройства с таким редуктором максимально эффективны, если имеют несколько электромагнитов зубчатого типа, расположенных вокруг центрального зубчато-образного куска железа. Электромагниты возбуждаются от внешней цепи управления, которую чаще всего представляет микроконтроллер. Чтобы сделать поворот вала двигателя, один электромагнит, к которому прикладывается энергия, как бы притягивает к своей поверхности зубья зубчатого колеса. Когда они выровнены по отношению к ведущему электромагниту, они слегка смещаются к следующей магнитной детали.

Первый электромагнит должен выключиться, а следующий включиться, тогда шестеренка будет вращаться, чтобы выровняться с предыдущим колесом, после чего процесс повторяется необходимое количество раз. Именно эти вращения называются постоянным шагом, скорость вращения двигателя определяется при помощи подсчета количества шагов для полного оборота или (оборотов) двигателя.

Шаговый двигатель в разборном виде
Фото — Шаговый двигатель в разборном виде

Схема управления шаговым двигателем имеет следующий вид:

Управление шаговым двигателем
Фото — Управление шаговым двигателем
Схема управления шаговым двигателем
Фото — Схема управления шаговым двигателем
Простая схема
Фото — Простая схема

Также для контроля работы устройства используется драйвер шагового двигателя. Это необходимо, если Вы будете настраивать мотор для работы станка с ЧПУ, отдельный ветрогенератор или используете его для работы ветряка.

Описание типов шаговых двигателей

Всего существует четыре основных типа шаговых двигателей:

  • С постоянным магнитом
  • Гибридный синхронный шаговый
  • Переменный.

Привод с постоянным магнитом

Устройства с магнитами применяют магнитную деталь в роторе. Они работают на принципе притяжения или отталкивания ротором и статором электромагнитного мотора. Переменно-шаговый двигатель имеет простой ротор из железа и работает на основе фундаментального принципа, по которому минимально допустимое отталкивание происходит с наименьшим зазором, исходя из этого, точки ротора притягиваются к полюсам магнитного статора. Устройства гибридного типа сочетают в себе оба описанных ранее принципа, это самые дорогие приборы.

Гибридный шаговый двигатель
Фото — Гибридный шаговый двигатель

Шаговые двухфазные двигатели

Самым распространенным типом данных механизмов по праву считается шаговый двухфазный мотор. Этот прибор достаточно простой, чтоб его можно было установить без какого-либо опыта, и довольно сложный, чтобы стоить дороже асинхронного движка.

Пошаговый двухфазный самодельный и купленный двигатель может иметь два основных типа обмотки для электромагнитных катушек: биполярную и униполярную.

Униполярные двигатели

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель оснащен одной обмоткой с центральным магнитным краном, который влияет на каждую фазу. Каждая секция обмотки включается для того, чтобы обеспечивать определенное направление магнитного поля. Поскольку в такой конструкции магнитный полюс может работать без дополнительного переключения, то направления тока, коммутация цепи осуществляются очень просто (например, для стандартного среднемощного двигателя будет достаточно одного транзистора) для каждой обмотки. Как правило, учитывая фазовые переключения: три провода на фазу и шесть для выходного сигнала являются типичными для двухфазного двигателя.

Чертеж двухфазного электродвигателя
Фото — Чертеж двухфазного электродвигателя

Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления – это очень интересный раздел электротехнических наук. Микроконтроллер двигателя может быть использован для того, чтобы активировать транзистор в нужной (определенной программой) последовательности.

В свою очередь обмотки могут быть подключены путем прикосновения соединительных проводов вместе с постоянными магнитами двигателя. Если клеммы катушки соединятся, вал будет сложно повернуть. Сопротивление между общим проводом и торцом катушки проволоки всегда равняется половине сопротивления между торцами катушек и торцами проводов. Это потому что общий провод всегда длиннее, чем половина, соединяющая катушки.

Биполярный двигатель

Биполярные двигатели оснащены одной фазовой обмоткой. Ток в неё поступает переломным образом при помощи магнитного полюса, поэтому управляющая схема должна быть сложнее, как правило, с соединяющим мостом. Есть два провода на фазу, но они не являются общими. Смешение сигнала шагового двигателя на более высокой частоте, может снижать эффект трения системы.

Шаговый двухфазный двигатель
Фото — Шаговый двухфазный двигатель

Также бывает трехфазный двигатель, у него более узкая область деятельности, такой шаговый механизм используется для фрезерных станков с ЧПУ (которые запускаются с компьютера), автомобилей типа Опель Вектра, Ниссан, Рено, ВАЗ и прочих транспортных средств, где необходимо использование дроссельной заслонке. Также для дисковода и принтера Epson используется шаговый мотор ЕМ-234 (EM-234).

Как подключить шаговый двигатель

Подключение шагового двигателя осуществляется по определенной схеме, в зависимости от того, сколько проводов имеет привод, и как Вы хотите запустить прибор.

Шаговые двигатели могут поставляться с четырьмя, пятью, шестью или восемью проводами. Если двигатель имеет четыре провода, то он может использоваться только с биполярным устройством. Каждая из двух фазных обмоток имеет пару проводов. Используйте метр, чтобы определить пары проводов с непрерывной связью между ними, чтобы подключить драйвер пошагово.

Мощный шести-проводной мотор имеет пару проводов для каждой обмотки и центр-кран для каждой обмотки. Он может быть подключен как к однополярному, так и к биполярному устройству. Используйте измерительный прибор для разделения провода. Для подключения к однополярному устройству можно использовать все шесть проводов. Для биполярного только один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Пяти-проводной мотор похож на шестипроводной прибор, но центральные клеммы соединены внутри в качестве сплошного кабеля, и выходят к одному проводу. Поэтому отделить обмотки одну от другой практически невозможно без разрывов. Лучшее решение – это определить центр провода и соединять его с прочими проводниками, такой режим не только очень безопасен, но и максимально эффективен. После подключить прибор и проверить его работоспособность.

Установка шагового двигателя
Фото — Установка шагового двигателя

Технические характеристики

Номинальное напряжение будет производить первичная обмотка при постоянном токе.

Начальная скорость крутящего момента шагового двигателя будет изменяться прямо пропорционально с током. От схемы привода и индуктивности обмоток зависит, как быстро линейный момент понижается на последующих высоких скоростях. Часто шаговые двигатели приспособлены к суровым условиям труда, они имеют IP65 степень защиты.

Часто сравнивают серводвигатель (сервопривод) и шаровую модель, но последние работают гораздо дольше и являются более продуктивными, им реже нужен ремонт. Но привод может пропустить больше вольт. Поэтому сравнивать эти модели нецелесообразно.

Перед тем, как выбрать прибор, нужно знать характеристики самых популярных шаровых двигателей российского производства:

Марка двигателя Шаг, градус Число фаз Крутящий момент, Нт
ШД-1 15 4 40
ДШ-0,04А 22,5 4 100
ДШИ 200 1,8 4 0,25
ДШ-6 18 4 2300

Не менее активно используются ДШР-40 (четырехфазные), NEMA 23, SanyoDenkiSM28, FDD (floppy-disk – флоппи диск), SM-200-0.22, SP-57, STH-39D1112, Purelogic R&D с энкодером. Чтобы подобрать нужный электрический двигатель, Вам нужно просчитать нужные параметры мощности, напряжение и крутящего момента. Чтобы определить эти данные, Вам нужно провести расчет.

Самой явной проблемой при работе шагового двигателя является управление шаговым двигателем без контроллера. Чтобы решить эту незадачу Вам нужно использовать специальный блок логической связи, который поможет управлять устройством без микросхемы контроллера. Но мы советуем разрабатывать систему контроля шагового двигателя именно на контроллере: Attiny2313, AVR-USB-MEGA16 (подсоединяется через usb), CNC-1318, HDD, PLCM-LPT, PIC, CD ULN, Arduino (Арудино) UNO, ATmega8, драйвер l293d.

Контроллер биполярного шагового двигателя
Фото — Контроллер биполярного шагового двигателя

Обзор цен

Продажа шагового двигателя осуществляется в России, Украине, Беларуси и прочих странах в любом электротехническом магазине, цена зависит от типа прибора, мощности в кВт и его предназначения.

Город Цена на шаговый однополярный двигатель, у.е.
Киев 3500
Москва 3000
Харьков 4000
СПб 3500

Похожие материалы:


Отзывы и комментарии

Вы можете оставить отзывы и комментарии к записи: "Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления"