Шаговой двигатель для ЧПУ: как определиться с выбором

Шаговой двигатель для ЧПУ: как определиться с выбором?

Какие критерии определяющие для выбора?

Надо помнить о том, что, по сравнению с обычными двигателями, шаговые требуют более сложных схем для управления. А критериев не так уж много.

1. Параметр индуктивности.

Первый шаг – определение квадратного корня из индуктивности обмотки. Результат потом умножаем на 32. Значение, полученное в качестве итога, потом требуется сравнивать с напряжением источника, от которого питание идёт к драйверу.

Эти числа не должны отличаться друг от друга слишком сильно. Мотор будет греться и шуметь слишком сильно, если напряжение питания больше полученного значения на 30 и больше %. Если же он меньше, то, по мере нарастания скорости, крутящий момент убывает. Чем больше индуктивность – тем проще сохранить высокий крутящий момент. Но для этого надо подобрать драйвер, имеющий большое напряжение питания. Только в этом случае шаговой двигатель работает нормально.

1. График того, как крутящий момент и скорость зависят друг от друга.

Это позволит понять, насколько двигатель в принципе соответствует запросам и техническому заданию.

1. Параметры геометрического плана.

Особое внимание рекомендуется уделить диаметру вала, фланцу и длине двигателя.

Кроме того, следующие показатели так же рекомендуется внимательно изучить:

• Максимальный статический синхронизирующий момент.
• Момент по инерции у роторов.
• Ток внутри фазы по номиналу.
• Общее сопротивление фаз омического типа.

CNC-DESIGN

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров. Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические движения. Вал шагового двигателя вращается с дискретным шагом, когда на него подаются управляющие импульсы в правильной последовательности. Вращение двигателей напрямую зависит от входящих импульсов, так же они напрямую управляют направлением и скоростью вращения вала двигателя.

Преимущества и недостатки шагового двигателя: Преимущества: — угол поворта двигателя пропорционален входным импульсам; — фиксация положения при остановке током удержания; — точное позиционирование и повторяемость движения, так как большинство шаговых двигателей имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к следующему; — низкая инертность при запуске, остановке и реверсе; — высокая надежность, поскольку в двигателе отсутствуют контактные щетки, поэтому срок службы двигателя в основном зависит от срока службы подшипников; — реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает систему более простой и, следовательно, более экономичной; — можно достичь очень низкой скорости синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом; — можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов; — шаговые двигатели дешевле серводвигателей.

Недостатки: — может возникнуть явление резонанса, при некорректном расчете узла или системы управления; — двигатель непрост вэксплуатации наочень высоких скоростях, 3000+ об/мин; — сложность системы управления; — падение мощности с ростом скорости вращения; — отсутствие обратной связи; — невысокая удельная мощность; — низкая скорость вращения; — шум.

Выбор шагового двигателя. Шаговый двигатель можно использовать когда требуется контролируемое движение. Они могут использоваться в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Из-за присущих выше преимуществ, шаговые двигатели нашли свое место в различных устройствах: принтеры, плоттеры, лазерные резаки, гравировальные станки, устройства захвата и так далее. При выборе шагового двигателя для вашего устройства необходимо учитывать несколько факторов: Как двигатель будет связан с нагрузкой? Какие скорость и ускорения необходимо реализовать? Какой крутящий момент необходим для перемещения исполнительного механизма? Какая степень точности требуется при позиционировании?

Количество полюсов (однополюсный/биполярный) Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели. Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку/фазу, а однополярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют четырехфазным двигателем, хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут приводиться в двухполярный или однополярный режим. Желательно, чтобы количество проводов на двигателе соответствовало количеству контактов на драйвере, чтобы не заниматься различными ухищрениями при подключения.

Номинальный ток Обычно указывается максимальный ток, который подается одновременно на обе обмотки. Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагов) указывается достаточно редко. При подаче номинального тока на одну обмотку происходит нагрев двигателя, из-за этого обычно ограничивают ток двигателя не более 85% от номинального тока. Для достижения максимального крутящего момента двигателя без перегрева, необходимо выбрать двигатель с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.

Крутящий момент Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек собственных колебаний резонанса могут быть обнаружены либо по звуку, либо по датчикам вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко уменьшен за счет резонансов. Работы на резонансных частотах следует избегать. Внешнее демпфирование, дополнительная инерция или применение микрошагов используются для уменьшения эффекта резонанса.

Удерживающий момент Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе. Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента. Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, возникает крутящий момент для преодоления собственной инерции ротора и массы нагрузки, приводимой в движении. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла. Известно, что использование микрошага снижает крутящий момент. На самом деле это означает, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокое значение микрошага предполагает уменьшение угла, а значит и уменьшение крутящего момента. Крутящий момент на единицу угла (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микрошага. Иными словами, отправка импульса на двигатель на один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее.

Размер Шаговые двигатели также классифицируются в соответствии с размерами корпуса, которые соответствуют размеру рамы двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA11 имеет размер рамы приблизительно 1,1 дюйма (28 мм). Аналогично, шаговый двигатель NEMA23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. д. Однако длина корпуса может изменяться от двигателя к двигателю в рамках одной и той же классификации размеров, при этом крутящий момент двигателя с определенным размером рамы будет увеличиваться с увеличением длины корпуса.

— габарит рамы 20х20 мм; — диапазон длин: 30-42 мм; — крутящий момент: 0,18-0,3 кг*см.

Форум клана ЧПУшников

Меню навигации

• Форум
• Наш фирменный клуб. «Форум А»
• «Мы в «Одноклассниках»»
• «Мы в ВКонтакте»
• «3d Сканирование»
• Написать нам
• Участники
• Правила
• Поиск
• Регистрация
• Войти

Пользовательские ссылки

• Активные темы

Информация о пользователе

Напряжение питания шагового двигателя

Сообщений 1 страница 16 из 16

Поделиться105-07-2016 11:30:24

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

Привет всем!
Решил вот заморочиться и поиграться с напряжением питания шаговиков. Использую распространенные 17HS4401:
Модель: 17HS4401
1.8 градусов/шаг
Сила удержания: 40 Н*см
Ток: 1.7А
Сопротивление фазы: 1.5 Ом
Индуктивность фазы: 2.8 мГ

Номинального напряжения для этого двигателя почему-то нигде не указано. Делал уже несколько хоббийных станочков на этих двигателях и ставил как у всех блок питания на 12В.
Поискал в интернете и нашел формулу для определения напряжения питания двигателя:
Оптимальное напряжение питания шагового двигателя зависит от индуктивности двигателя. Диапазон питающих напряжений двигателя должен находится в диапазоне от 4 до 25 значений номинального напряжения питания двигателя (номинальное напряжение питания двигателя и индуктивность обмоток двигателя указана в документации на двигатель). При использовании напряжения питания со значением менее 4 от номинального, двигатель не будет вращаться, а будет только нагреваться, что приведет к его поломке.
Для точного расчета напряжения питания двигателя воспользуйтесь формулой:
U = 32 x√ L,
где L — индуктивность обмотки (в мГн), взятая из технической документации на двигатель; U — напряжение питания, В DC

Подставил свои параметры, получил 53 вольта. Не многовато ли?
Я хотел 24 вольта подать, будет из этого какой-то толк?
Спасибо!

• Цитировать Сообщение 1

Поделиться205-07-2016 11:44:26

• Автор: sertix
• Долгожитель
• Откуда: Астрахань
• Зарегистрирован : 17-06-2013
• Приглашений: 0
• Сообщений: 799
• Уважение: [+251/-3]
• Позитив: [+228/-36]
• Пол: Мужской
• Возраст: 50 [1971-02-03]
• Провел на форуме:
  1 месяц 7 дней
• Последний визит:
  25-03-2021 11:22:55

Ток главное, а не напряжение, хотя некоторые производители указывают рекомендуемое рабочее напряжение, пример для двигателя нема 23 56мм

• Цитировать Сообщение 2

Поделиться305-07-2016 12:06:19

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

Ток главное, а не напряжение, хотя некоторые производители указывают рекомендуемое рабочее напряжение, пример для двигателя нема 23 56мм

В документации которую вы привели указана индуктивность 2.4мГн против 2.8мГн у 4401. Напряжение питания указано 36 вольт, т.е. теоретически можно 24 В на 17HS4401, только вот остается все таки вопрос — это что-то даст? Встречал на форуме вот несколько тем — там люди описывают что момент маленький, советовали напряжение поднять, т.е. подняв напряжение поднимем момент?

• Цитировать Сообщение 3

Поделиться405-07-2016 12:28:49

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

И еще вдогонку про микрошаги. Я ставил режим 1/16. Получалось на ременной передаче 0.0025мм/шаг. Такая точность как для моих поделий чересчур. Теоретически если сделаю полный шаг то точность будет 0.04, чего мне вроде как хвататит, а вот момент вырастет. Есть ли тут какие-нибудь подводные камни?

• Цитировать Сообщение 4

Поделиться505-07-2016 14:38:39

• Автор: sertix
• Долгожитель
• Откуда: Астрахань
• Зарегистрирован : 17-06-2013
• Приглашений: 0
• Сообщений: 799
• Уважение: [+251/-3]
• Позитив: [+228/-36]
• Пол: Мужской
• Возраст: 50 [1971-02-03]
• Провел на форуме:
  1 месяц 7 дней
• Последний визит:
  25-03-2021 11:22:55

Как показывает практика, чем больше напряжение питания драйвера, тем большее значение ускорения без пропуска шагов на шаговом двигателе. Все это при том, что рабочий ток двигателя не выходит за пределы для данного мотора.

Я ставил режим 1/16. Получалось на ременной передаче 0.0025мм/шаг. Такая точность как для моих поделий чересчур. Теоретически если сделаю полный шаг то точность будет 0.04, чего мне вроде как хвататит, а вот момент вырастет.

Это к точности не относится, скорее к теоретическому разрешению. Точность это все в комплексе, направляющие, ходовые винты, жесткость станка, биение шпинделя и т.п. По поводу момента, момент теряется на высоких оборотах, а не на микрошаге.

• Цитировать Сообщение 5

Поделиться605-07-2016 15:56:04

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

Как показывает практика, чем больше напряжение питания драйвера, тем большее значение ускорения без пропуска шагов на шаговом двигателе. Все это при том, что рабочий ток двигателя не выходит за пределы для данного мотора.

Это к точности не относится, скорее к теоретическому разрешению. Точность это все в комплексе, направляющие, ходовые винты, жесткость станка, биение шпинделя и т.п. По поводу момента, момент теряется на высоких оборотах, а не на микрошаге.

Спасибо!
Тоесть смысл увеличивать напряжение есть, знать бы ещё на какое напряжение мои моторы рассчитаны. Буду пробовать методом тыка, Попробую при вольтах 19 для начала от ноутбучного блока питания поганять на холостых.

• Цитировать Сообщение 6

Поделиться705-07-2016 17:11:47

• Автор: Виталий Шумаков
• Заблокирован
• Откуда: Краснодар
• Зарегистрирован : 02-12-2015
• Приглашений: 0
• Сообщений: 867
• Уважение: [+342/-1]
• Позитив: [+83/-0]
• Пол: Мужской
• Возраст: 47 [1974-07-24]
• Провел на форуме:
  1 месяц 23 дня
• Последний визит:
  29-04-2020 13:25:10

У меня на маленьком станке стоят NEMA 17. Запитываю от 12 вольт. Ток не выше 2.5 А Вполне хватает гонять шпиндель на 400Вт используя трапецивидный винт Т8, на скорости до 1 метра в минуту. Собственно, мне больше и не надо! Но думаю если гонять эти движки на 19, а уж тем более на 24 вольтах, то долго они не прослужат.

• Цитировать Сообщение 7

Поделиться805-07-2016 17:52:48

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

У меня на маленьком станке стоят NEMA 17. Запитываю от 12 вольт. Ток не выше 2.5 А Вполне хватает гонять шпиндель на 400Вт используя трапецивидный винт Т8, на скорости до 1 метра в минуту. Собственно, мне больше и не надо! Но думаю если гонять эти движки на 19, а уж тем более на 24 вольтах, то долго они не прослужат.

У прошлых моих Z тоже на винте, там ставил для холостых 1000мм/мин, X и Y на ремнях, там 5000мм/мин на холостых. Шпиндели были 100Вт гравер, и 400Вт гравер Royce DM-400. При 12В даже после часа-полтора работы движки холодные, вот и подумал что запас есть еще.
Следующий хочу полностью на винтах сделать.
А по поводу микрошагов что посоветуете?

• Цитировать Сообщение 8

Поделиться905-07-2016 18:41:33

• Автор: achuser
• Местный
• Зарегистрирован : 23-10-2013
• Приглашений: 0
• Сообщений: 286
• Уважение: [+10/-0]
• Позитив: [+5/-0]
• Провел на форуме:
  3 дня 6 часов
• Последний визит:
  15-05-2019 15:45:34

Любые ШД свыше 9 кг лучше начинать питать от 24В. Сожгет их не напряжение, а ток. прежде чем сгореть, он разогреется как печка. Отсего параметра и плясать, если после 30 мин нагрев выше 70 гр, то либо уменьшаем нагрузки, лиюо меняем ЩД на более мощный.

Но как по мне 70 гр — темп не нормальная, все что выше 50, уже не должно иметь место. Либо радиатор+вентилятор ставить.

• Цитировать Сообщение 9

Поделиться1006-07-2016 08:45:19

• Автор: Vasilij
• Местный
• 
• Откуда: Россия, Крым, Красноперекопск
• Зарегистрирован : 19-03-2015
• Приглашений: 0
• Сообщений: 128
• Уважение: [+28/-0]
• Позитив: [+198/-0]
• Пол: Мужской
• Возраст: 45 [1976-06-19]
• Провел на форуме:
  6 дней 21 час
• Последний визит:
  13-04-2021 18:46:14

Уважаемые форумчане, вот сейчас тоже столкнулся с такой проблемой, как выбор питания. Двигателя стоят вот эти:
http://forum.rcdesign.ru/attachment.php … 1424113840
Модель: 17HS5425
1.8 градусов/шаг
Сила удержания: 48 Н*см
Ток: 2,5 А
Сопротивление фазы: 1.25 Ом
Индуктивность фазы: 1,8 мГ
По примеру Юджина получается, что напруга должна быть корень из 1,8 умножить на 32 = 42,93 вольта. Но в таблице указываются параметры на фазу, если их две, то умножать все вдвое?
Сейчас у меня 15 вольт. Хочу взять импульсный б/п 14 А 24В. Есть еще 13,5 А 27 вольт. Подойдут ли они и какой из них лучше применить?
Плата TB65xx четырехосевая красная.
В качестве валов шпильки М8, соответственно, максимальная скорость 0,5 м/мин. Увеличив питание, я смогу увеличить вращающий момент, поставить шпильки, например М 12 и получить при тех же оборотах двигателя скорость например, 1000мм/мин (к примеру). Я правильно себе картину нарисовал или где- то ошибаюсь?
Для современных потребностей моей скорости хватает, а вот сейчас решил фрезернуть крыло на металку, так мне его 8 часов пилить надо.

• Цитировать Сообщение 10

Поделиться1106-07-2016 10:06:22

• Автор: Ujin778
• Заинтересованный
• 
• Зарегистрирован : 22-06-2016
• Приглашений: 0
• Сообщений: 26
• Уважение: [+8/-0]
• Позитив: [+2/-0]
• Провел на форуме:
  1 день 11 часов
• Последний визит:
  26-04-2019 11:35:23

Уважаемые форумчане, вот сейчас тоже столкнулся с такой проблемой, как выбор питания. Двигателя стоят вот эти:
http://forum.rcdesign.ru/attachment.php … 1424113840
Модель: 17HS5425
1.8 градусов/шаг
Сила удержания: 48 Н*см
Ток: 2,5 А
Сопротивление фазы: 1.25 Ом
Индуктивность фазы: 1,8 мГ
По примеру Юджина получается, что напруга должна быть корень из 1,8 умножить на 32 = 42,93 вольта. Но в таблице указываются параметры на фазу, если их две, то умножать все вдвое?
Сейчас у меня 15 вольт. Хочу взять импульсный б/п 14 А 24В. Есть еще 13,5 А 27 вольт. Подойдут ли они и какой из них лучше применить?
Плата TB65xx четырехосевая красная.
В качестве валов шпильки М8, соответственно, максимальная скорость 0,5 м/мин. Увеличив питание, я смогу увеличить вращающий момент, поставить шпильки, например М 12 и получить при тех же оборотах двигателя скорость например, 1000мм/мин (к примеру). Я правильно себе картину нарисовал или где- то ошибаюсь?
Для современных потребностей моей скорости хватает, а вот сейчас решил фрезернуть крыло на металку, так мне его 8 часов пилить надо.

Я вот как и писал попробовал дать 19В, только не на станке, а на макете. Моторы холодные, сильнее стали греться драйвера, но в принципе терпимо, обдув драйверов я всегда ставил, а в следующей версии хочу электронику поместить в коробку и вдувать воздух в нее через фильтр. Так КПД обдува думаю улучшиться, потому как если просто вентилятор направлять на драйвера то много воздуха в стороны расходится.
А вот насчет увеличения момента надо будет какую-то мерялку сообразить. Думаю вырезать рычаг на вал мотора и к рычагу крючек, за который хоть бытовыми весами можно было бы зацепиться.

Отредактировано Ujin778 (06-07-2016 10:08:35)

CNC-DESIGN

В корзине пусто!

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров.
Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические движения. Вал шагового двигателя вращается с дискретным шагом, когда на него подаются управляющие импульсы в правильной последовательности. Вращение двигателей напрямую зависит от входящих импульсов, так же они напрямую управляют направлением и скоростью вращения вала двигателя.

Преимущества и недостатки шагового двигателя:
Преимущества:
— угол поворта двигателя пропорционален входным импульсам;
— фиксация положения при остановке током удержания;
— точное позиционирование и повторяемость движения, так как большинство шаговых двигателей имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к следующему;
— низкая инертность при запуске, остановке и реверсе;
— высокая надежность, поскольку в двигателе отсутствуют контактные щетки, поэтому срок службы двигателя в основном зависит от срока службы подшипников;
— реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает систему более простой и, следовательно, более экономичной;
— можно достичь очень низкой скорости синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом;
— можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов;
— шаговые двигатели дешевле серводвигателей.

Недостатки:
— может возникнуть явление резонанса, при некорректном расчете узла или системы управления;
— двигатель непрост вэксплуатации наочень высоких скоростях, 3000+ об/мин;
— сложность системы управления;
— падение мощности с ростом скорости вращения;
— отсутствие обратной связи;
— невысокая удельная мощность;
— низкая скорость вращения;
— шум.

Выбор шагового двигателя.
Шаговый двигатель можно использовать когда требуется контролируемое движение. Они могут использоваться в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Из-за присущих выше преимуществ, шаговые двигатели нашли свое место в различных устройствах: принтеры, плоттеры, лазерные резаки, гравировальные станки, устройства захвата и так далее.
При выборе шагового двигателя для вашего устройства необходимо учитывать несколько факторов:
Как двигатель будет связан с нагрузкой?
Какие скорость и ускорения необходимо реализовать?
Какой крутящий момент необходим для перемещения исполнительного механизма?
Какая степень точности требуется при позиционировании?

Количество полюсов (однополюсный/биполярный)
Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели. Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку/фазу, а однополярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют четырехфазным двигателем, хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут приводиться в двухполярный или однополярный режим. Желательно, чтобы количество проводов на двигателе соответствовало количеству контактов на драйвере, чтобы не заниматься различными ухищрениями при подключения.

Номинальный ток
Обычно указывается максимальный ток, который подается одновременно на обе обмотки. Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагов) указывается достаточно редко. При подаче номинального тока на одну обмотку происходит нагрев двигателя, из-за этого обычно ограничивают ток двигателя не более 85% от номинального тока. Для достижения максимального крутящего момента двигателя без перегрева, необходимо выбрать двигатель с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.

Крутящий момент
Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек собственных колебаний резонанса могут быть обнаружены либо по звуку, либо по датчикам вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко уменьшен за счет резонансов. Работы на резонансных частотах следует избегать. Внешнее демпфирование, дополнительная инерция или применение микрошагов используются для уменьшения эффекта резонанса.

Удерживающий момент
Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе. Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента.
Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, возникает крутящий момент для преодоления собственной инерции ротора и массы нагрузки, приводимой в движении. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла.
Известно, что использование микрошага снижает крутящий момент. На самом деле это означает, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокое значение микрошага предполагает уменьшение угла, а значит и уменьшение крутящего момента. Крутящий момент на единицу угла (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микрошага. Иными словами, отправка импульса на двигатель на один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее.

Размер
Шаговые двигатели также классифицируются в соответствии с размерами корпуса, которые соответствуют размеру рамы двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA11 имеет размер рамы приблизительно 1,1 дюйма (28 мм). Аналогично, шаговый двигатель NEMA23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. д. Однако длина корпуса может изменяться от двигателя к двигателю в рамках одной и той же классификации размеров, при этом крутящий момент двигателя с определенным размером рамы будет увеличиваться с увеличением длины корпуса.

— габарит рамы 20х20 мм;
— диапазон длин: 30-42 мм;
— крутящий момент: 0,18-0,3 кг*см.

— габарит рамы 28х28 мм;
— диапазон длин: 32-51 мм;
— крутящий момент: 0,43-0,9 кг*см.

— габарит рамы 35х35 мм;
— диапазон длин: 28 мм;
— крутящий момент: 1,0 кг*см.

— габарит рамы 39х39 мм;
— диапазон длин: 20-38 мм;
— крутящий момент: 0,65-2,0 кг*см.

— габарит рамы 42х42 мм;
— диапазон длин: 25-60 мм;
— крутящий момент: 1,7-6,5 кг*см.

— габарит рамы 56х56 мм;
— диапазон длин: 41-76 мм;
— крутящий момент: 2,88-18,9 кг*см.

— габарит рамы 86х86 мм;
— диапазон длин: 65-156мм;
— крутящий момент: 34-122 кг*см.

— габарит рамы 110х110 мм;
— диапазон длин: 99-201 мм;
— крутящий момент: 112-280 кг*см.

— габарит рамы 130х130 мм;
— диапазон длин: 165-270 мм;
— крутящий момент: 270-500 кг*см.

Угол шага.
Существует два распространенных угла шага: 0,9 и 1,8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам/оборот. Большинство устройств используют двигатели с шагом 1,8 град/шаг.
При заданной скорости вращения 0,9-градусный двигатель производит вдвое больше индуктивной обратной эдс, чем 1,8-градусный двигатель, из-за этого возможно будет необходимо использовать питание 24 В для достижения высоких скоростей с двигателями 0,9 градуса.
Для двигателей 0,9 градуса необходимо подавать шаговые импульсы драйвера с удвоенной скоростью по сравнению с двигателями 1,8 градуса. Если вы используете высокий микрошаг, тогда скорость может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать шаговые импульсы.

Разрешение и точность позиционирования.
На разрешение и точность позиционирования системы шагового двигателя влияют несколько факторов: угол шага (длина полного шага шагового двигателя), выбранный режим движения (полный шаг, полшага или микрошаг) и скорость передачи. Это означает, что есть несколько различных комбинаций, которые можно использовать для получения желаемого разрешения, из-за этого проблема разрешения обычно может быть решена после того, как были определены размер двигателя и тип привода.

Самоиндукция .
Индуктивность двигателя влияет на скорость, с которой драйвер шагового двигателя может приводить двигатель в действие до падения крутящего момента. Если мы временно игнорируем обратную эдс из-за вращения, а номинальное напряжение двигателя намного меньше, чем напряжение питания привода, то максимальные обороты в секунду перед падением крутящего момента составляют:

оборотов_в_секунду=(2*напржение_БП)/(шагов_на оборот*3,14* индуктивность* ток)

Если двигатель приводит ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость в мм/с как:

Например:
двигатель 1,8 град/шаг ( т. е. 200 шагов/об) с индуктивностью 4 мГн работает при 1,5, А при напряжении питания 12 В, и привод ремня GT2 с 20-зубчатым шкивом начинает терять крутящий момент со скоростью около 250 мм/с.
На практике крутящий момент начинает падать раньше, чем это из-за обратной эдс, вызванной движением, потому что не учитывается сопротивление обмоток. Моторы с низкой индуктивностью также имеют низкую ЭДС из-за вращения. Для достижения высоких скоростей, необходимо выбирать двигатели с низкой индуктивностью и высоким напряжением питания.

Сопротивление и номинальное напряжение
Это сопротивление на фазу и падение напряжения на каждой фазе, когда двигатель неподвижен, и фаза передает свой номинальный ток (который является результатом сопротивления и номинального тока). Это важно когда номинальное напряжение значительно ниже напряжения питания для шаговых драйверов.

Обратный ЭДС из-за вращения
Когда шаговый двигатель вращается, то создается обратная эдс. При идеальном нулевом угле запаздывания на 90 градусов не в фазе с напряжением возбуждения, а в фазе с обратной ЭДС из-за индуктивности. Когда двигатель выдает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током.
Обратный ЭДС из-за поворота обычно не указывается в спецификации, но мы можем оценить его по следующей формуле:

Формула предполагает, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе. Если это указано только с одной фазой под напряжением, замените 1,414 на 2.
Пример: рассмотрим 200-шаговый двигатель, приводящий каретку через шкив с 20 зубцами и ремень GT2. Это 40-миллиметровое движение за оборот. Для достижения скорости 200 мм/сек нам нужно 5 об/сек. Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0,55 Нм, когда обе фазы работают при 1,68, А, пиковая обратная эдс из-за вращения составляет

1,414 * 3,142 * 0,55 * 5 / 1,68 = 7,3 В.

Как вбрать необходимое напряжение питания
Если заранее известна необходимая скорость движения для вашего устройства, можно предварительно определить, какое напряжение питания вам потребуется для драйверов двигателя.
Пример: определим необходимую скорость движения. Для этого примера будем использовать 200 мм/сек, передача шкив 20 зубьев GT2.
Исходя из необходимой скорости движения, определим максимальную скорость ремня.
Прикинем обратную ЭДС от индуктивности:

где N — число полных шагов на оборот (200 для двигателей с 1,8 градусами или 400 для двигателей с 0,9 градусами).
Возьмем для примера двигателя со следующими параметрами: 0,9 градуса с индуктивностью 4,1 мГн, и токе 1А. Таким образом, обратная эдс из-за индуктивности составляет:

Вычислим обратную ЭДС из-за вращения по приведенной ранее формуле.
Двигатели для примера имеют номинальный ток 1,68А и момент удержания 0,44 Нм, поэтому результат равен:

Предпочтительно, чтобы напряжение питания драйвера составляло по меньшей мере сумму этих двух обратных эдс, плюс еще несколько вольт запаса. При использовании двух двигателей последовательно требуемое напряжение удваивается.

Алгоритм выбора шагового двигателя
1. Определение компонента механизма привода .
Определите механизм и необходимые входные данные, вариант механизма, приблизительные размеры, расстояния перемещения и время позиционирования.
2. Рассчитайте необходимое разрешение.
Найдите разрешение, необходимое для двигателя. Исходя из требуемого разрешения, определите, будет ли использоваться только двигатель или мотор-редуктор . Тем не менее, благодаря использованию технологии микрошагов, достичь требуемого разрешения стало гораздо легче.
3. Определите схему работы
Определите схему работы, которая соответствует требуемым данных. Рассчитайте значения ускорения (замедления) и скорость рабочего импульса, чтобы рассчитать момент ускорения.
4. Рассчитайте необходимый крутящий момент.
Рассчитайте момент нагрузки и момент ускорения и найдите требуемый момент, требуемый двигателем.
5. Выберите двигатель.
Сделайте предварительный выбор двигателя на основе требуемого крутящего момента. Определите используемый двигатель по характеристикам скорости и крутящего момента.
6. Проверьте выбранный двигатель.
Подтвердите скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции.

Общие рекомендации:
— если не планируется использовать внешние драйверы шаговых двигателей, выбирайте двигатели с номинальным током не менее 1,2, А и не более 2,0 А.
— рассчитывайте на рабочий ток шагового двигателя 50-85% от номинального.
— размер:
Nema 17- самый популярный размер, используемый в домашних проектах.
Nema 23 необходимо использовать если не хватает крутящего момента от длинных двигателей Nema 17.
— старайтесь не использовать двигатели с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазового сопротивления)> 4 В или индуктивности> 4 мГн.
— выборйте двигатель с 0,9 град/шаг, если необходима дополнительная точность позиционирования, для стандартных решений используйте двигатели 1,8 град/шаг.
— при использовании 0,9 градусных шаговых двигателей или двигателей с высоким крутящим моментом, необходимо применение блоков питания с напряжением 24 В, чтобы поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.

Ардуино и шаговый двигатель: основы, схемы, подключение и управление

Шаговые двигатели используют для управления положением чего-либо, или для вращения рабочего узла с заданной скорости и на заданный угол. Такие особенности сделали возможным его применение в робототехнике, станках с числовым программным управлением (ЧПУ), и других системах автоматизации. В этой статье мы рассмотрим ряд вопросов связанных с устройством шаговых двигателей и способами их управления с помощью микроконтроллера Arduino.

Шаговый двигатель отличия от обычного

Все используемые на практике электродвигатели работают за счет электродинамических явлений и процессов происходящих в магнитных полях роторов и статоров. Как мы уже упомянули, любой двигатель состоит как минимум из двух частей – подвижной (ротор) и неподвижной (статор). Для его вращения нужно чтобы и магнитное поле тоже вращалось. Поле ротора вращается вслед за полем статора.

В принципе, таких базовых сведений достаточно для понимания общей картины работы электрических двигателей. Однако на самом деле промышленность производит различные варианты электродвигателя, среди которых:

1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым или с фазным ротором.

2. Синхронный двигатель с обмотками возбуждения или с постоянными магнитами.

3. Двигатель постоянного тока.

4. Универсальный коллекторный двигатель (работает и на постоянном токе и на переменном, ведь обмотки ротора сами подключаются и отключаются от контактов источника питания за счет конструкции ламелей и якоря).

5. Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC).

7. Шаговые двигатели.

Последние два вида несут особую ценность, благодаря возможности их, в определенной степени, точного позиционирования в пространстве. Давайте подробнее рассмотрим конструкцию шагового двигателя.

Определение

Шаговым двигателем называется бесщеточный электродвигатель синхронного типа. На статоре расположено определенное число обмоток, подключение которых вызывает поворот ротора на определенный угол, зависящий от числа шагов. Другими словами ток в обмотке статора вызывает поворот вала на дискретный угол.

При равномерной и последовательной смене полярностей напряжения на обмотках и переключении запитанных обмоток происходит вращение шагового двигателя, подобно обычному электродвигателю, хотя на самом деле просто происходит регулярный поворот на фиксированный угол.

Шаговый двигатель иногда называют двигателем с конечным количеством положений ротора. Звучит не совсем понятно, давайте разберемся. Представим обычный двигатель – положение его ротора никак не фиксируется, то есть он просто вращается пока подключено питание, а когда оно отключается, то останавливается через какое-то время, зависящее от его инерции. Положений ротора может быть сколько угодно много, а отличаться они могут на мельчайшие доли градуса.

В шаговом двигателе подключение обмотки или нескольких обмоток вызывает «примагничивание» ротора по отношению к этим обмоткам. Внешне это выглядит именно как поворот вала на определенный угол (шаг). Так как количество шагов является одной из важных характеристик этого типа электропривода, то и количество положений ротора равно количеству шагов. Новичкам сложно понять, как это может быть, и как он в таком случае вращается – на самом деле все достаточно просто, мы это покажем на иллюстрациях и описаниях ниже.

Конструкция

На статоре электродвигателя закреплены обмотки возбуждения. Его ротор выполняется из магнитомягких или магнитотвердых материалов. От материала ротора зависит крутящий момент и фиксация вала при обесточенных обмотках. Эти параметры могут быть критичными.

Поэтому выделяют магнитотвердые роторы (они же на постоянных магнитах) и магнитомягкие (реактивные) роторы, кроме них есть и гибридные роторы.

Гибридный ротор делают зубчатым, количество зубцов соответствует количеству шагов. Зубцы расположены вдоль оси ротора. При этом такой ротор разделен на две части поперек. Между ними установлен постоянный магнит, таким образом, каждая из половин ротора является полюсом магнита. Также следует сказать, о том, что половины ротора повернуты на половину шага зубцов друг относительно друга.

Как уже было сказано, такой двигатель является синхронным, так и процесс его вращения заключается в создании вращающего поля ротора, за которым стремится магнитный ротор, а это реализовывается за счет переключения контроллером обмоток поочередно.

Виды шаговых двигателей ШД по конструкции обмоток делят на три основных группы по схеме подключения обмоток:

3. С четырьмя обмотками.

Биполярные электродвигателя в большинстве своем имеют 4 контакта – это выводы с двух обмоток. Внутри двигателя они по большому счету никак не соединены между собой. Основной проблемой является то, что нужно обеспечить переключение полярности питания, это значит, что драйвер и сам процесс управления усложнится.

Униполярные напоминают соединение обмоток по схеме звезды. Другими словами, у вас есть 5 выводов – 4 из них это концы обмоток, а 1 – точка соединения всех обмоток.

Для управления таким двигателем нужно просто подавать поочередно питание на каждый из концов обмотки (или их пару, в зависимости от выбранного режима вращения), таким образом будет запитываться каждый раз половинка обмотки. Может работать в биполярном режиме, если запитывать полностью всю обмотку минуя отвод от её середины.

Двигатели с 4 обмотками имеют преимущество в том, что вы можете подключить обмотки любым удобным для вас образом и получить как биполярный, так и униполярный двигатель.

Режимы управления

Различают 4 основных режима управления шаговым двигателем:

1. Волновое управление.

Волновым управлением называют управление одной обмоткой. Т.е. одновременно ток течет через одну из обмоток, отсюда две отличительных черты – низкое энергопотребление (это хорошо) и низкий крутящий момент (это плохо).

В данном случае этот двигатель делает 4 шага за один оборот. Реальные же двигатели делают десятки шагов за один оборот, это достигается бОльшим количеством чередований магнитных полюсов.

Полношаговое управление является наиболее часто используемым. Здесь напряжение подается не на одну обмотку, а на две сразу. Если обмотки соединены параллельно – то ток удваивается, а если последовательно, то удваивается напряжение питания соответственно. С одной стороны в таком методе управления двигатель потребляет больше энергии, с другой – крутящий момент 100%, в отличие от предыдущего.

Полушаговое управление интересно тем, что становится возможным более точное позиционирование вала двигателя, благодаря к тому, что к целым шагам добавляются еще и половинки это достигается совмещение предыдущих двух режимов работы, а обмотки чередуются, то включаясь попарно, то по одной.

Стоит учесть, что момент на валу плавает от 50 до 100% в зависимости от того 1 или 2 две обмотки задействованы в данный момент.

Еще более точным является микрошаговый. Он похож на предыдущий, но отличается тем, что питание на обмотки подаётся не полной величины, а постепенно изменяющейся. Таким образом, изменяется степень воздействия на ротор каждой из обмоток и плавно изменяется угол поворота вала в промежуточных шагам положениях.

Где взять шаговый двигатель

Купить шаговый двигатель вы успеете всегда, но настоящие радиолюбители, самодельщики и электронщики славятся тем, что могут из мусора сделать что-то полезное. Наверняка, у вас дома найдется хотя бы один шаговый двигатель. Давайте разберемся, где нужно искать, чтобы найти такой двигатель.

1. Принтера. Шаговые двигатели могут стоять на вращении вала подачи бумаги (но может быть и двигатель постоянного тока с датчиком перемещения).

2. Сканеры и МФУ. В сканерах часто устанавливают шаговый двигатель и механическую часть, направляющую вдоль которой ходит каретка, эти детали также могут стать полезны при разработке самодельного ЧПУ станка.

3. CD и DVD приводы. В них также можно достать и штанги и винтовые валы для самоделок и различных ЧПУ.

4. Floppy-дисководы. В дискетниках также есть шаговые двигатели, особо ценятся флопики формата 5.25”.

Драйвер для шагового двигателя

Для управления шаговыми двигателями используют специализированные микросхемы-драйвера. В большинстве своем это H-мост из транзисторов. Благодаря такому включению появляется возможность включать на обмотку напряжение нужной полярности. Эти микросхемы подходят и для управления двигателями постоянного тока с поддержкой изменения направления вращения.

В принципе очень маленькие двигателя можно запустить и прямо от пинов микроконтроллера, но обычно они выдают до 20-40 мА, чего в большинстве случае недостаточно. Поэтому приведем несколько примеров драйверов для шаговых двигателей:

1. Платы на базе L293D. Их множество, одна из таких продается под отечественной маркой «Амперка» под название Troyka Stepper, пример его использования в реальном проекте приведен на видео ниже. Преимущество конкретно этой платы в том, что на ней расположены микросхемы логики которые позволяют сократить количество используемых для управления пинов.

Сама по себе микросхема работает под напряжение 4.5-36В и выдает ток до 600мА-1А в зависимости от корпуса ИМС.

2. Драйвер на базе A4988. Питается напряжением до 35В, выдерживает ток до 1А без радиатора, а с радиатором до 2А. Может управлять двигателем, как целыми шагами, так и частями – от 1/16 шага до 1 шага, всего 5 вариантов. Содержит два H-моста. С помощью подстроечного резистора (видно на правом фото) можно задавать выходной ток.

Размер шага задается сигналами на входах MS1, MS2, MS3.

Вот схема его подключения, каждый импульс на входе STEP задает поворот двигателя на 1 шаг или на микрошаг.

3. Драйвер на базе ULN2003 работает с двигателями на 5 и на 12В и выдаёт ток до 500 мА. На большинстве плат расположены 4 светодиода индицирующих работу каждого из каналов.

Также на плате вы можете видеть клеммную колодку для подключения двигателей, кстати, многие из них продаются именно с таким разъёмом. Примером такого двигателя является 5В модель – 28BYJ-48.

И это не все варианты драйверов для шаговых двигателей, на самом деле их еще больше.

Подключение к Arduino драйвера и шагового двигателя

В большинстве случаев нужно использовать микроконтроллер в паре с драйвером для шагового двигателя. Давайте рассмотрим схему подключения и примеры программного кода. Рассмотрим подключение на базе последнего приведенного драйвера – ULN2003 к плате Arduino. И так у него есть 4 входа, они подписаны, как IN1, IN2 и т.д. Их нужно соединить с цифровыми пинам платы ардуино, а к драйверу подсоединить моторчик как показано на рисунке ниже.

Далее в зависимости от способа управления вы должны подавать на входы 1 или 0 с этих пинов включая 1 или 2 обмотки в нужно последовательности. Код программы полношагового управления выглядит примерно так: