Шаговые электродвигатели представляют собой электродвигатели постоянного тока, движущиеся отдельными шагами.

В шаговых моторах имеется несколько катушек, которые объединены в группы — “фазы”. Если подавать энергию на каждую фазу по очереди, то мотор будет вращаться, на один шаг за раз. С помощью компьютерного управления от шагового мотора можно получить очень хорошую точность управления скоростью и позиционированием, что используется в приложениях, где требуется высокая точность управления движением.

Двигатели такого типа применяются в самых разнообразных устройствах, от часов до роботов и станков с ЧПУ.

Шаговые моторы бывают разных размеров, от крошечных, с горошину, до огромных NEMA 57.

Размеры шаговых моторов

При выборе мотора следует руководствоваться работой, которую он будет выполнять. Больший мотор может выдать большую мощность.

Чтобы понять, сможет ли тот или иной мотор выполнять ту работу, которая вам требуется, узнайте его крутящий момент.

Двигатели типоразмера NEMA 17 применяются обычно в 3D-принтерах и небольших фрезерных станках с ЧПУ. В роботах и аниматронике используются моторы поменьше. Более крупные моторы применяются в станках с ЧПУ и в промышленном оборудовании.

Число NEMA определяет размеры передней панели мотора для его монтажа. Оно не отражает другие характеристики мотора. Два NEMA 17 мотора могут иметь совершенно разные механические и электрические характеристики и могут оказаться не взаимозаменяемыми.

Число шагов мотора

Это еще один фактор выбора. Число шагов может быть от 4 до 400 на один оборот. Обычно встречаются 24-, 48- и 200-шаговые моторы. Разрешение часто выражается в градусах за шаг, 1,8 градусов за шаг это те же 200 шагов за оборот.

За высокое разрешение мотора приходится платить скоростью и крутящим моментом. У моторов с большим количеством шагов скорость вращения меньше, чем у моторов такого же размера, но с меньшим количеством шагов. При одинаковой скорости у моторов одного размера, больший крутящий момент будет у мотора с меньшим разрешением.

Редуктор

Один из способов увеличить разрешение шагового мотора — установить на него редуктор. Система шестерен с передаточным отношением 32:1, установленная на мотор с 8-ю шагами на оборот превращает его в 512-шаговый. Кроме того, редуктор увеличивает крутящий момент. Крошечные моторчики, оснащённые редукторами могут выдавать впечатляющий момент, но за счёт скорости. Редукторы применяются в низкооборотных приложениях.

Исполнение вала

При выборе мотора следует определить, как он будет взаимодействовать с остальным приводом. Двигатели выпускаются с разными вариантами исполнения валов

 

• Круглый или с лыской: встречаются разные диаметры валов, под которые разработано множество шкивов, шестерен, соединительных муфт и т. п. Лыска препятствует проворачиванию, что предпочтительно для работы с высоким крутящим моментом

• Зубчатый: зубья нарезаны сразу на валу. Обычно применяется в модульных трансмиссиях

• Ходовой винт: такие валы применяются в линейных приводных механизмах. Миниатюрные версии можно обнаружить в позиционерах дисковых накопителей

Проводка

Существует много вариантов проводки шаговых двигателей. Мы рассмотрим те из них, которыми можно управлять с помощью распространенных драйверов. Это двигатели на постоянных магнитах или гибридные, с 2-х фазной биполярной и 4-х фазной униполярной обмоткой.

Обмотки и фазы

Шаговый мотор может иметь любое количество обмоток, но все они соединены в группы, называемые фазами. Все обмотки в одной фазе получают питание одновременно.

Подавая питание на обмотки со сменой полярности можно добиться того, что все фазы мотора работают одновременно.

5-проводной мотор. Такой тип проводки обычен для небольших униполярных моторов. Все общие провода обмоток соединены внутри корпуса, а наружу выведен 1 общий провод. Такой мотор можно подключить только как униполярный.

6-проводной мотор. Соединены только общие провода парных обмоток каждой фазы. Эти 2 провода можно соединить, чтобы получить 5-проводной униполярный мотор, или оставить их неподключенными и работать с мотором как с биполярным.

8-проводной мотор. Самый универсальный тип проводки, который можно подключать несколькими способами.

• 4-х фазный униполярный. Все общие провода обмоток соединены между собой, так же, как в 5-проводном моторе

• 2-х фазный последовательный биполярный. Фазы соединены последовательно, так же, как и в 6-проводном моторе

• 2-х фазный параллельный биполярный. Фазы соединены параллельно, в результате чего сопротивление и индуктивность мотора уменьшаются вдвое, но для питания требуется вдвое больший ток. Преимуществом такого варианта подключения является больший крутящий момент и более высокая скорость мотора.

Драйверы шаговых моторов

Привести шаговый мотор в движение немного сложнее, чем двигатель непрерывного вращения, для этого требуется специальное электронное устройство — драйвер, которое будет подавать питание на фазы двигателя в определённой временной последовательности,

Драйверы униполярных моторов всегда запитывают фазы одинаково. Один из проводов всегда отрицательный общий, остальные — положительные. Драйвер можно реализовать на простой транзисторной схеме. Недостаток — меньший крутящий момент, так как запитанными одновременно оказываются только половина обмоток.

Биполярные драйверы построены на мостовых схемах, которые меняют направление тока в фазах. Такую схему непросто построить с нуля, но в продаже можно найти много готовых чипов. Одним из самых популярных таких чипов является L293D. Их можно обнаружить во множестве хоббийных шаговых контроллеров.

Продвинутые драйверы для ЧПУ

Такие платы приближают производительность шаговых моторов к промышленному уровню. На таких платах установлены схемы ШИМ-драйверов постоянного тока, которые можно настроить для получения от моторов максимально возможных крутящего момента и скорости вращения.

Эти высокопроизводительные платы более сложны в обращении, их можно рекомендовать более опытным пользователям.

Подбор драйвера к двигателю.

Сейчас мы подходим к самой важной части — совместимости мотора и драйвера.

Если драйвер не подходит к мотору, то производительность будет разочаровывающей. Или хуже — возможно повреждение мотора и/или контроллера.

Выбирайте компоненты внимательно!

Изучите спецификацию драйвера

Самые важные параметры в спецификации это

• Напряжение — наибольшее напряжение, которое драйвер может подать на мотор

• Длительный ток — наибольший ток, который драйвер может подать на мотор

Значение пикового тока драйвера, для шаговых моторов, не следует принимать в расчёт. Всегда ориентируйтесь только на “длительный” ток.

Изучите спецификацию мотора

Также вам необходимо знать электрические характеристики мотора, важнейшими из которых являются

• Ампер на фазу — максимальная сила тока, с которой обмотки мотора могут работать без перегрева

• Сопротивление на фазу — сопротивление катушек каждой фазы

Иногда указываются значения напряжения. Часто (но не всегда) оно выведено из двух предыдущих значений. Лучше всего рассчитать его самостоятельно, пользуясь законом Ома

 

U=IR

 

Подчиняйтесь закону!

 

Фазы шагового двигателя являются индукторами, так что они будут оказывать сопротивление быстрым изменениям тока. но в конце каждого шага или когда мотор не движется они работают как нагрузка с обычным сопротивлением и ведут себя согласно закону Ома.

 

Также, когда мотор стоит, он потребляет наибольший ток. По этому, по закону Ома можно рассчитать электрические требования к драйверу

 

Напряжение = Сила тока Х Сопротивление

или

Сила тока = Напряжение / Сопротивление

Эти формулы следует строго применять ко всем контроллерам шаговых двигателей “постоянного напряжения”.

Но у некоторых шаговых моторов очень низкое сопротивление. Если строго следовать вышеприведенным формулам, то их напряжение питания окажется меньше 5В, а производительность будет плохой. Такие моторы мало подходят к контроллерам с “постоянным напряжением”, а требуют более специализированных.

Над законом

Обмануть закон Ома можно, однако здесь начинают работать другие законы.

Когда на шаговые обмотки двигателя подаётся питание они генерируют магнитное поле. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля индуцирует в катушке ток. А согласно закону Ленца этот ток направлен обратно току, индуцирующему поле. Этот обратный ток известен как противоЭДС.

Эта противоЭДС увеличивает “импеданс”, то есть эффективное сопротивление катушки, так что закон Ома выполняется, но к этому импедансу, а не к простому сопротивлению катушки. Этот импеданс ограничивает ток в начале каждого шага мотора.

Драйверы неизменного (стабилизированного) тока

Такие устройства компенсируют противоЭДС, питая мотор большим напряжением. Нет ничего необычного в том, что такие драйверы могут подавать на шаговый двигатель напряжение, в несколько раз превышающее то, на которое он был рассчитан.

Для безопасности при высоких напряжениях, драйвер отслеживает силу тока, подаваемого на мотор и “отсекает” его, когда он превысит заданную величину.

Благодаря работе на более высоком напряжении, такой драйвер способен подать на двигатель больший ток в начале шага, увеличивая крутящий момент. Кроме увеличения крутящего момента на низких оборотах можно получить более высокую частоту вращения.

Выбор драйвера стабилизированного тока и конфигурация его под конкретный мотор требует хорошего понимания работы двигателей и драйверов.

ЧаВо

Будет ли данный мотор работать с данным драйвером?

 

Необходимо узнать спецификации мотора и драйвера. Когда у вас появится эта информация — действуйте, как описано в пункте “Подбор драйвера к двигателю”

 

Это NEMA 17, значит, подходит, верно?

Стандарт NEMA описывает только размеры передней панели мотора для его монтажа. Чтобы определить его совместимость, нужно знать его электрические характеристики.

Что, если электрических характеристик мотора нигде нет?

Проверьте сопротивление фаз мотора. Если сомневаетесь, для безопасности подавайте на мотор меньший ток.

Какого размера мотор выбрать для моего проекта?

Большинство моторов имеет спецификацию крутящего момента, обычно в N/cm или дюйм/унциях. 1 N/cm означает, что мотор развивает силу в 1 ньютон на расстоянии 1 см от центра вала. Например, он может удерживать груз массой около 100 г при помощи шкива диаметром 20 мм.

При расчёте необходимого крутящего момента заложите резерв на преодоление трения и на ускорение. На подъем груза с места требуется больший крутящий момент, чем просто на удержание.

Если для вашего проекта требуется большой крутящий момент, но невысокая скорость — можно выбрать шаговый двигатель с редуктором.

Как подключить мотор к контроллеру?

Сверьтесь со спецификациями, если они есть. Если они отсутствуют, нужно измерить сопротивление фаз, чтобы найти нужные выводы мотора. Между выводами одной фазы сопротивление обычно небольшое.

Будет ли данный источник питания работать с моим мотором?

Убедитесь, что напряжение питания не превышает то, что указано в спецификациях мотора и контроллера. Обычно мотор может работать на более низком напряжении, хотя и с меньшим крутящим моментом.

Проверьте, какую силу тока даёт ваш источник питания. В большинстве режимов работы питание подаётся на 2 фазы двигателя одновременно, поэтому сила тока должна быть, по меньшей мере, вдвое больше, чем ток одной фазы вашего мотора.

 

Применения

 

• 3D принтеры

 

• Станки с ЧПУ

 

• Приводы для телекамер

 

• Роботы

 

• Принтеры

 

• Точные мотор-редукторы

 

Преимущества

 

• Точное повторяемое позиционирование

 

• Точное управление скоростью

 

• Отличный крутящий момент на низких оборотах

 

• Отличный крутящий момент “удержания” при сохранении положения под нагрузкой

 

Ограничения

 

• Низкий КПД

 

• Для установки начального положения может потребоваться энкодер или концевой выключатель