Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электропривод с шаговым двигателем

Электропривод с шаговым двигателем

Главная > Учебное пособие >Физика

Электропривод с шаговым двигателем

Система управления с шаговыми двигателями

Контроллер шагового двигателя

Шaговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако правильно выбрать тип двигателя – это еще полдела. Не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера. Цель этой статьи – систематизировать сведения об устройстве шаговых двигателей, способах управления ими, схемах драйверов и алгоритмах. В качестве примера приведена практическая реализация простого и дешевого драйвера шагового двигателя на основе микроконтроллера семейства AVR

Что такое шаговый двигатель, и зачем он нужен?

Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

Чем же хорош шаговый двигатель?

Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны) прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта 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. Но не все так хорошо.

шаговым двигателем присуще явление резонанса

возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи

потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки

затруднена работа на высоких скоростях

невысокая удельная мощность

относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель – дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт. Возможность получения низкой частоты вращения часто является причиной того, что разработчики, будучи не в состоянии спроектировать редуктор, применяют шаговые двигатели неоправданно часто. В то же время коллекторный двигатель имеет более высокую удельную мощность, низкую стоимость, простую схему управления, и вместе с одноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. К тому же, при этом обеспечивается значительно больший момент. Приводы на основе коллекторных двигателей очень часто применяются в технике военного назначения, а это косвенно говорит о хороших параметрах и высокой надежности таких приводов. Да и в современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигатели распространены достаточно сильно. Тем не менее, для шаговых двигателей имеется своя, хотя и довольно узкая, сфера применения, где они незаменимы.

Виды шаговых двигателей

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

двигатели с переменным магнитным сопротивлением

двигатели с постоянными магнитами

Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 2). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град.

Рис. 2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рис. 3. Двигатель с постоянными магнитами.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град).

Читать еще:  Что такое крутящий момент двигателя шуруповерта

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 4.

Рис. 4. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами.

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Шаг 3. Какие моторы используются для робота.

Моторы для робота

Двигатели для робота входят в состав приводов. Мы узнали о робототехнике в целом на шаге первом. На втором шаге решили, какого робота мы будем делать. Нам нужно установить приводы, которые заставят робота двигаться.

Выбор двигателя для робота напрямую зависит от задач, которые должен выполнять робот. Двигатель (мотор) может входить в состав привода или отдельно быть приводом.

Что такое привод?

Привод может быть определен как устройство, которое преобразует энергию (в робототехнике это, как правило, электрическая энергия) в физические движения.

Подавляющее большинство приводов производят либо вращательное или линейное движение. Например, мотор — это тип привода. Правильный выбор приводов для вашего робота требует понимание того, что приводы доступны. Возможно, немного фантазии, и немного математики и физики.
Приводы вращения — это тип приводов преобразования электрической энергии во вращательное движение.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока (AC) редко используется в мобильных роботах. В первую очередь потому, что большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи.

мотор переменного тока AC

Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях , где требуется очень высокий крутящий момент. Прежде всего там, где моторы подключены к электросети.

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока MotorDC моторы имеют разнообразные формы и размеры. Хотя большинство из них цилиндрические. Они имеют выходной вал, который вращается на высоких скоростях, обычно в 5 000 до 10 000 оборотов в минуту. Хотя двигатели постоянного тока очень быстро вращаются, большинство из них не очень мощные. Такие двигатели для робота имеют низкий крутящий момент.

Для того, чтобы снизить скорость и увеличить крутящий момент, могут быть добавлены редукторы. Чтобы установить двигатель на робота, нужно закрепить корпус двигателя на раме робота. По этой причине двигатели для робота часто имеют монтажные отверстия, которые обычно располагаются на лицевой стороне двигателя. Следовательно, они могут быть установлены перпендикулярно к поверхности.

Двигатели постоянного тока могут работать по часовой стрелке (CW) и против вращения часовой стрелки. Угловое движение вала может быть измерено с помощью энкодеров или потенциометров.

Мотор редуктор постоянного тока

Это двигатель постоянного тока в сочетании с коробкой передач. Она работает, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент. Например, двигатель постоянного тока вращается со скоростью 10000 оборотов в минуту и достигает 0.001 Н*м крутящего момента. Если добавить понижающую передачу 100:1 (сто к одному) мы снизим скорость в 100 раз. В результате 10000 / 100 = 100 об / мин и увеличим крутящий момент в 100 раз (0.001 х 100 = 0.1 Н*м).

мотор редуктор постоянного тока DC

Основные виды понижающих передач это:

  1. зубчатая передача
  2. ременная
  3. планетарная
  4. червячная

Червячная передача позволяет получить очень высокое передаточное число с помощью всего одного этап. И также не дает выходному валу двигаться, если двигатель не работает.

Серводвигатель

Тип используемого вами двигателя зависит от типа движения, которое вы хотите.

R / C или хобби сервомотор

Часто сервомоторы этого типа могут поворачиваться на угол до 180 градусов. Они поворачиваются на определенный угол поворота. И часто используются в более дорогих моделях дистанционного управления средствами для управления или контроля полета.

Теперь они используются в различных приложениях. Цены на эти сервоприводы значительно сократилось, и разнообразие (разные размеры, технологии и сила) увеличилось. Общим фактором для большинства сервоприводов заключается в том, что большинство использует только поворот около 180 градусов.
R / C сервомотор включает в себя двигатель постоянного тока, редуктор, электронику и роторный потенциометр, который и измеряет угол

Электроника и потенциометр работают синхронно, чтобы управлять двигателем и останавливать выходной вал по заданному углу. Эти моторы обычно имеют три провода: земля, напряжение В, и управляющий импульс. Управляющий импульс, как правило, снимается с регулятора мотора сервопривода. Хобби сервомотор — это новый тип сервопривода. Он предполагает непрерывное вращение и обратную связь по положению. Все сервоприводы могут вращаться как вправо, так и влево.

Промышленные серводвигатели

Промышленный серводвигатель с приводом управляется иначе, чем хобби мотор и чаще встречаются на очень больших машинах. Промышленный сервомотор обычно трехфазный и состоит из двигателя переменного тока, редуктора и энкодера. Установленный энкодер обеспечивает обратную связь по угловому положению и скорости.

промышленный сервомотор

Эти моторы редко используются в мобильных роботах из-за их веса, размеров, стоимости и сложности. Вы можете увидеть промышленные серводвигатели на мощный промышленных манипуляторах. Возможно их использование на очень больших роботизированных автомобилях.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель вращается на определенные “ступени” (на самом деле, конкретные градусы). Число ступеней и размер шага зависит от нескольких факторов. Большинство шаговых двигателей не включает в себя передачи. Так как это двигатели постоянного тока и вращающий момент низок.

Правильно настроенный шаговый двигатель может вращаться вправо и влево и может быть установлен в требуемое угловое положение. Есть однополярные и биполярные типы шаговых двигателей. Одним заметным недостатком шаговых двигателей является то, что если мотор не работает, трудно быть уверенным в угле пуска двигателя.

Если добавить передачу, то шаговый двигатель имеет тот же самый эффект, как и добавление передачи на двигатель постоянного тока: Он увеличивает крутящий момент и снижает угловую скорость. Поскольку скорость уменьшается на передаточное отношение, то размер шага также уменьшается на тот же фактор.

Линейные приводы

Линейный привод производит линейное движение (движение вдоль одной прямой линии) и имеют три основные отличительные механические характеристики.

  1. Минимальное и максимальное расстояние, на которое стержень может сдвинуть вал (в мм или дюймах)
  2. Их сила (в кг или фунты)
  3. Их скорость (в м/с или дюйм/с)

DC Линейный Привод

Линейный DC привод часто состоит из двигателя постоянного тока, подключенного к червячной передаче. Когда двигатель вращается, то крепление на винте будет либо ближе или дальше от двигателя. По существу червячная передача преобразует вращательное движение в линейное движение.

линейный привод

Некоторые линейные приводы постоянного тока включают в себя линейный потенциометр, который обеспечивает линейную обратную связь. Для того, чтобы остановить привод от полного разрушения, многие производители включают концевые выключатели на обоих концах. Как правило, для отключения электропитания привода при нажатии на них. Линейные приводы постоянного тока бывают в самых разнообразных размеров и типов.

Соленоиды

Соленоид состоит из катушки намотанной вокруг подвижного сердечника. Когда катушка находится под напряжением, сердечник отталкивается от магнитного поля и производит движения в одном направлении. Несколько катушек или некоторые механические механизмы потребуются для того, чтобы обеспечить движение в двух направлениях.

Соленоиды обычно очень маленькие, но их скорость очень большая. Сила зависит в основном от размера катушки и от того какой силы ток идет через него. Этот тип привода используется в клапанах или системах фиксации. В таких системах, как правило, нет обратной связи по положению (сердечник либо полностью убирается или полностью выдвинут).

Пневматические и гидравлические приводы

Пневматические и гидравлические приводы с помощью воздуха или жидкости (например воды или масла), служат для того чтобы двигаться линейно. Эти типы приводов могут иметь очень длинный ход, большую мощность и высокую скорость.

пневматический или гидравлический привод

Для того чтобы эксплуатироваться они требуют использование жидкости компрессора. Это делает их более сложными в эксплуатации, чем обычные электрические приводы. Они имеют большую мощность, скорости и, как правило, большой размер. И в первую очередь используются в промышленном оборудовании.

Выбор привода

Важно отметить, что постоянно появляются новые и инновационные технологии, и нет ничего постоянного. Также обратите внимание, что один привод может выполнять очень разные задачи в разных условиях. Например, с различной механикой. Привод, который производит линейное движение, может быть использован для поворота объекта и назад (как у автомобильных щеток для очистки стекла).

Роботы с колесами или гусеницами

Приводные двигатели для робота должны перемещать вес всего робота и, скорее всего, потребуется понижающая передача. Большинство роботов используют притормаживание колесами одного борта. В то время как автомобили или грузовики, как правило, используют рулевое управление.

роботизированная платформа на колесах

Если вы выберете бортовой поворот, то DC моторы с редуктором являются идеальным выбором для роботов с колесами или гусеницами. Ведь они обеспечивают непрерывное вращение, и могут иметь необязательную обратную связь по положению с помощью оптических энкодеров. Их очень легко программировать и использовать.

Если вы хотите использовать рулевое управление, то вам понадобится один приводной двигатель и один двигатель, чтобы управлять передними колесами. Поворот ограничен определенным углом и можно применить R / C сервомотор.

Робот манипулятор

Мотор используется, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес. Подъем веса требует значительно больше энергии, чем перемещение веса на плоской поверхности. Скорость должна быть принесена в жертву для того, чтобы получить крутящий момент.

робот манипулятор

Поэтому лучше всего использовать редуктор с высоким передаточным отношением и мощный двигатель постоянного тока или линейного привода DC. Можно рассмотреть возможность использования системы (либо червячных передач, или струбцин). Что предотвращает груз от падения в случае потери управления.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя показывает высокую температуру

Сервоприводы двигателей

Используются если диапазон ограничен до 180 градусов и крутящий момент не является существенным. Р/С мотора сервопривода идеально подходит для таких задач. Серводвигатели предлагаются с различными крутящими моментами и размерами и обеспечивают угловые обратной связи по положению.

Лучше использовать потенциометр, и некоторые специализированные оптические энкодеры. Р/С сервоприводы используются все больше и больше для создания небольших шагающих роботов.

Шаговые двигатели

Используются, когда угол поворота должен быть очень точными. Шаговые двигатели для робота в сочетании с контроллером шагового электродвигателя могут дать очень точное угловое движение. Иногда предпочтительнее серводвигатели, поскольку они обеспечивают непрерывное вращение. Однако, некоторые профессиональные цифровые серводвигатели используют оптические энкодеры. В результате они обладают очень высокой точностью.

Линейные приводы

Линейные приводы являются лучшими для перемещения объектов и расположения их по прямой линии. Они отличаются разнообразием размеров и конфигураций. Для очень быстрого движения можно рассматривать пневматику или соленоиды. Для очень высоких мощностей можно рассматривать линейные приводы постоянного тока и также гидравлику.

Практический пример

  • В уроке 1 мы определили цель нашего проекта, чтобы понять какого типа мобильного робота можно сконструировать при небольшом бюджете.
  • В уроке 2 мы решили, что мы хотели небольшую платформу на колесах. Во-первых, давайте определим тип привода, который потребуется для создания робота.

Для этого нужно ответить на пять вопросов:

  1. Это привод используется для перемещения колесного робота?
    Да. Нужен мотор-редуктор с управлением при помощи притормаживания одного борта. Это означает, что каждое колесо будет нужно оснастить собственным мотором.
  2. Двигатели для робота используются, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес?
    Нет, настольная платформа не должна быть тяжелой.
  3. Диапазон движения ограничивается на 180 градусов?
    Нет, колеса могут постоянно вращаться.
  4. Угол должны быть точными?
    Нет, наш робот не требует позиционной обратной связи.
  5. Это движение по прямой?
    Нет, поскольку мы хотим, чтобы робот вращаться и двигаться во всех направлениях.

Большой мотор Lego EV3

Всем этим требованиям соответствует большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Технические характеристики большого мотора EV3

Управление шаговым двигателем. Схема и описание

в Управление 0 3,774 Просмотров

Шаговые двигатели не сильно отличаются от многих классических двигателей. Для управления шаговым двигателем необходимо подавать постоянное напряжение на обмотки в точной последовательности. Благодаря этому принципу, можно обеспечить точный угол поворота оси.

Более того, оставив напряжение питания на одной или нескольких обмотках двигателя, мы переводим двигатель в режим удержания. Шаговые двигатели получили широкое распространение в технике, к примеру, их можно найти в гибких дисководах, сканерах и принтерах. Существует несколько типов шаговых двигателей.

Типы шаговых двигателей

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

  1. Двигатель с постоянным магнитом
  2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
  3. Гибридный двигатель

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами применяется наиболее часто в устройствах бытового назначения, нежели в промышленных устройствах. Это недорогой двигатель, имеющий низкий крутящий момент и низкую скорость вращения. Он идеально подходит для устройств компьютерной периферии.

Производство шагового двигателя с постоянными магнитами несложно и экономически оправдано, когда дело касается производства больших объемов. Однако из-за его относительной инертности, применение ограничено в устройствах, где требуется точное позиционирование по времени.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением нет постоянного магнита, и как результат этого — ротор вращается свободно, без остаточного крутящего момента. Этот тип двигателя часто используется в малогабаритных устройствах, например, в системах микро-позиционирования. Они не чувствительны к полярности тока и требуют систему управления отличную от других типов двигателей.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный двигатель, на сегодняшний день, является самым популярным двигателем в промышленной сфере. Его название происходит от того, что он сочетает в себе принципы работы двух других типов двигателя (с постоянными магнитами и переменным магнитным сопротивлением). Большинство гибридных двигателей имеют две фазы.

Как работает гибридный двигатель

Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.

Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.

Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.

Если ток течет по двум обмоткам статора, результирующие полюса будут притягивать зубы обратной полярности на каждом конце ротора. Есть три устойчивых позиций для ротора, столько же, сколько количество зубьев на роторе. Момент, необходимый для перемещения ротора от его стабильного положения во вращательное движение называется «удержание крутящего момента»

Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора. В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу. Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).

Наконец, второй набор обмоток работает в противоположном направлении, обеспечивая третье положение ротора (еще 30 градусов). Теперь мы можем вернуться снова к первому этапу (А), и после прохождения заново всех этих четырех этапов, ротор будет перемещен еще на один зуб.

Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.

Режим полшага

Подавая питание поочередно на одну обмотку, а затем на две, ротор будет совершать вращение на 15 градусов в каждом шаге и таким образом количество шагов на один оборот увеличится в два раза. Этот режим называется режимом «полшага», и большинство промышленных устройств применяют этот режим. Даже если это иногда вызывает небольшую потерю крутящего момента, режим в полшага намного плавнее на низких скоростях и вызывает меньший резонанс в конце каждого шага.

Когда шаговый двигатель находится под контролем в режиме «неполного шага», две фазы одновременно находятся под напряжением и крутящий момент обеспечивается на каждом шаге. В режиме полушага, питание чередуется между двумя фазами, и отдельной обмоткой, как показано на рисунке.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а). Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.

Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.

В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).

Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в). При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный. Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.

Управление шаговым двигателем

В качестве примера управления шаговым двигателем возьмем униполярный шаговый двигатель ШД-1ЕМ, имеющий характеристики: количество шагов — 200/об., ток обмотки – 0,5А, мощность — 12 Ватт.

Драйвером, управляющим обмотками шагового двигателя выберем микросхему ULN2003A. Эта уникальная микросхема, не что иное, как транзисторная сборка по схеме Дарлингтона с открытым коллектором, снабженная диодом, защищающим цепь питания нагрузки. ULN2003A имеет семь каналов управления с током нагрузки 500мА каждый.

Входы микросхемы ULN2003A можно напрямую подключать к выходам цифровых микросхем, поскольку она имеет резисторы, подключенные к базам транзисторов. Еще одним немаловажным моментом является то, что выходы ULN2003A снабжены диодами, которые защищают микросхему от индукционных выбросов в момент коммутации обмоток шагового двигателя.

Вывод 9 микросхемы ULN2003A подведен к источнику питания через стабилитрон, который защищает схему от ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент выключения блока питания схемы. Управление шаговым двигателем производится с помощью компьютера через LPT порт при помощи программы:

Скачать программу управления шаговым двигателем (204,1 KiB, скачано: 2 155)

Какой тип электродвигателя лучше всего подходит для моего проекта?

Узнайте, какие проекты лучше всего работают с коллекторными двигателями постоянного тока, бесколлекторными двигателями, серводвигателями и шаговыми двигателями.

Если вы разрабатываете проекты с движущимися частями, скорее всего, вам понадобится электродвигатель. Но существует несколько различных типов электродвигателей, обычно доступных разработчикам.

Читать еще:  Chevrolet cobalt сколько масла в двигателе

Коллекторные двигатели постоянного тока, бесколлекторные двигатели, серводвигатели и шаговые двигатели – это четыре наиболее распространенных типа электродвигателей, которые можно найти практически в любом проекте, в котором есть движение. Использование каждого из этих типов двигателей в вашем проекте имеет свой набор преимуществ и потенциальных проблем.

В данной статье рассматриваются типы проектов, для которых хорошо подходит тот или иной тип двигателя, и приводятся базовые рейтинги стоимости, крутящего момента, максимальной скорости и точности позиционирования по шкале от 0 до 5.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока являются самыми дешевыми, простыми и легкими в управлении из всех технологий двигателей, обсуждаемых в данной статье. Они идеально подходят для проектов с ограниченным бюджетом, которые не требую какого-либо точного управления позиционированием, и для которых отношение мощность/масса не очень важно.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока также полезны для проектов, требующих чрезвычайно простого управления. Эти типы двигателей могут управляться не более чем замыканием/размыканием ключа. Управление их скоростью – это просто регулировка напряжения, подаваемого на двигатель или изменение коэффициента заполнения (или скважности) ШИМ сигнала, если задействован микроконтроллер.

Пример коллекторного двигателя постоянного тока, используемого в проекте

Лучшие типы проектов для коллекторных двигателей постоянного тока

Наборы для создания роботов для начинающих

Наборы для создания роботов для начинающих почти повсеместно используют коллекторные двигатели постоянного тока из-за их низкой стоимости и потому, что для их работы не требуются современные микроконтроллеры или сложное программирование.

Используя два двигателя с двумя колесами на каждой стороне шасси робота, мы можете создать достаточно сложного робота. Многие из базовых наборов робототехники такого типа доступны в магазинах.

Конструкции, использующие вибромоторы

Вибромоторы состоят из коллекторного двигателя постоянного тока с грузом, прикрепленным асимметрично к валу двигателя. Вы можете использовать вибромоторы в самодельных контроллерах и в любых других проектах, требующих доставки пользователю неслышимых уведомлений (например, как ваш телефон в режиме вибрации).

Из-за простоты управления коллекторными двигателями постоянного тока интенсивность вибрации можно модулировать, просто регулируя напряжение, подаваемое на двигатель.

Бесколлекторные двигатели

Несмотря на то, что бесколлекторные двигатели начинают заменять коллекторные двигатели постоянного тока в профессиональных устройствах и электромобилях, они также приобретают популярность в самодельных проектах благодаря наличию мощных, но доступных по цене микроконтроллеров.

Оценка характеристик бесколлекторных двигателей Пара примеров бесколлекторных двигателей

Бесколлекторные двигатели обеспечивают большую надежность, более высокие максимальные скорости и более высокую эффективность по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока. Однако они дороже, чем коллекторные двигатели постоянного тока, особенно с учетом того, что им требуются специализированные контроллеры скорости для взаимодействия с микроконтроллерами, что иногда может быть дороже, чем сам двигатель.

Зачастую стоимость управления бесколлекторным двигателем превышает стоимость самого двигателя

Лучшие типы проектов для бесколлекторных двигателей

Любительские проекты летательных аппаратов

Бесколлекторные двигатели чрезвычайно полезны в любительских проектах летательных аппаратов, включая квадрокоптеры, вертолеты и самолеты.

Более высокая эффективность бесколлекторных двигателей, по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, имеет два основных последствия для проектов радиоуправляемых летательных аппаратов:

  1. Бесколлекторные двигатели потребляют меньше энергии для выработки той же мощности, что и коллекторный двигатель постоянного тока примерно такого же размера, что означает, что разработчики получают больше энергии от того же аккумулятора.
  2. Бесколлекторные двигатели имеют боле высокую выходную мощность при том же размере двигателя. В частности, для летательных аппаратов отношение мощности к весу является критически важной характеристикой, и бесколлекторные двигатели полезны для увеличения этого отношения.

Бесколлекторные двигатели являются хорошим выбором для любительских проектов летательных аппаратов

Радиоуправляемые машины

Радиоуправляемые машины, особенно те, которые используются для гонок, также выигрывают от технологий бесколлекторных двигателей. Более высокое отношение мощности к весу полезно в радиоуправляемых машинах по той же причине, что и для летательных аппаратов, для повышения производительности.

Для радиоуправляемых машин бесколлекторные двигатели обеспечивают большие крутящий момент и максимальные скорости, чем бензиновые двигатели. Кроме того, бесколлекторные двигатели в радиоуправляемых машинах обеспечивают пиковый крутящий момент почти мгновенно при подаче питания. Бензиновые двигатели, напротив, должны развивать более высокие скорости, чтобы максимизировать крутящий момент.

Стабилизатор камеры

Если вы записываете видео своего проекта, очень полезным инструментом для повышения профессионализма ваших видео за счет уменьшения тряски может стать стабилизатор камеры.

Стабилизатор камеры – это устройство, которое поддерживает камеру неподвижно, обеспечивая более плавные кадры. Стабилизаторы выполняют это, компенсируя движение, используя три бесколлекторных двигателя, по одному на каждую ось движения.

Стабилизируйте камеру с помощью стабилизатора, состоящего из трех бесколлекторных двигателей

Серводвигатели

В то время как коллекторные двигатели постоянного тока и бесколлекторные двигатели разработаны для регулируемой скорости, серводвигатели разработаны для точного позиционирования.

Оценка характеристик серводвигателей

Серводвигатели оснащены встроенным аппаратным обеспечением для определения положения, что позволяет контроллеру серводвигателя измерять точное угловое положение вала двигателя, также называемое углом поворота. Сочетание точного позиционирования и высокого крутящего момента, предлагаемое серводвигателями, делает их отличным выбором для ряда проектов, связанных с робототехникой.

Примеры использования серводвигателей в проектах

Лучшие типы проектов для серводвигателей

Шагающий робот

Если вы создаете шагающего робота, имеет ли он две, четыре, шесть или даже большее количество ног, серводвигатели почти наверняка будут выполнять основную работу в вашем проекте.

В шагающих роботах серводвигатели действуют как суставы

В шагающих роботах серводвигатели выступают в качестве суставов (и немного похожи на мышцы, но анатомическая аналогия здесь немного нарушается). Компьютер, на котором работает ваш робот, будет использовать обратную кинематику для вычисления угла, который должен принимать каждый сустав, чтобы выставить робота в определенном положении. Серводвигатели позволяют контроллеру точно управлять углом каждого сустава робота.

Если вы строите шагающего робота, то, скорее всего, вы будете использовать много серводвигателей!

Роботизированные руки

Серводвигатели также полезны для создания роботизированных рук (роботов-манипуляторов). Высокая точность позиционирования, предлагаемая серводвигателями, позволяет микроконтроллеру устанавливать конечный исполнительный механизм манипулятора с высокой степенью точности.

Это робот-манипулятор uArm Metal, работающий на сервоприводах

Серводвигатели также обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, благодаря редуктору между двигателем и выходным валом, что позволяет роботам-манипуляторам поднимать тяжелые предметы.

Наконец, сервопривод будет сопротивляться внешним силам, пытающимся изменить положение манипулятора. Например, если вы соберете роботизированную руку и заставите ее пройти дальше точки, которую ищет микроконтроллер, то, как только вы перестанете прикладывать усилие к манипулятору, серводвигатели вернутся в исходное положение.

Шаговые двигатели (описанные в следующем разделе), напротив, не имеют механизма для определения того, изменяют ли их положение внешние силы.

Рулевое управление для радиоуправляемых машин

В радиоуправляемых машинах серводвигатели обычно используются для рулевых механизмов. Поскольку сервоприводы могут быть точно установлены в нужное положение, а затем возвращены в центральное положение, они идеально подходят для рулевого управления. Серводвигатели позволяют управлять всеми видами радиоуправляемых проектов: от рулевых реек на радиоуправляемых машинках, до рулей направления на лодках, до управляющих поверхностей на самолетах.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели, как и серводвигатели, предназначены для построения машин, требующих точных управления и отслеживания позиционирования.

Оценка характеристик шаговых двигателей

То, как шаговые двигатели позволяют управлять позиционированием, сильно отличается от способа, используемого сервоприводами. Серводвигатели имеют возможности абсолютного позиционирования. В любой момент микроконтроллер может сделать запрос контроллеру сервопривода и получить назад значение угла.

Шаговый двигатель, напротив, использует относительное позиционирование. Шаговые двигатели вращаются не непрерывно (как коллекторные двигатели постоянного тока или бесколлекторные двигатели), а дискретными «шагами»,

Типовой шаговый двигатель имеет 200 шагов на полный оборот. Таким образом, каждый раз, когда шаговый двигатель «делает шаг», он поворачивается на 1,8°. Тщательно отслеживая количество шагов, на которое шаговый двигатель повернулся из известного начального положения, микроконтроллер может с высокой степенью точности определять положение двигателя или всего, что к нему прикреплено.

Примеры использования шаговых двигателей в проектах

Лучшие типы проектов для шаговых двигателей

3D принтеры

Шаговые двигатели используются практически во всех настольных 3D принтерах. Эта технология двигателей позволяет контроллерам 3D принтеров отслеживать положение печатающей головки с точностью до минуты (обычно в масштабе микрометров). Кроме того, шаговые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, что полезно для перемещения тяжелого экструдера вокруг рабочей области.

3D принтеры используют шаговые двигатели для отслеживания положения печатающей головки

Станки ЧПУ

По причинам, аналогичным 3D принтерам, шаговые двигатели широко используются в станках ЧПУ. Станок с ЧПУ запускает задание с известной нулевой позиции. Контроллер подсчитывает количество шагов, на которое перемещаются двигатели, переводя их в расстояния в соответствие с конструкцией ремней, которыми управляют шаговые двигатели. Этот тип отслеживания положения обеспечивает высокий уровень точности размеров обрабатываемых станком ЧПУ деталей.

Большие роботы-манипуляторы

В предыдущем разделе объяснялось, как в более мелких роботах манипуляторах используются серводвигатели. В более крупных роботах манипуляторах часто используются шаговые двигатели. Таким образом, если вы разрабатываете робота-манипулятора, который должен будет перемещать тяжелые грузы, дополнительный крутящий момент больших шаговых двигателей по сравнению с крутящим моментом, обеспечиваемым серводвигателями, позволит вашему роботу-манипулятору поднимать и перемещать гораздо более тяжелые объекты.

Шаговые двигатели хорошо работают в больших роботах-манипуляторах, которые требуют возможности подъема более тяжелых объектов

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector