Управление шаговым двигателем

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Характеристики

Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике:

• Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
• Угол полного шага. Представление в другом виде предыдущего параметра. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Для двигателей серии FL57 составляет 1,8 ° и 0,9°.
•  Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для этого тока указаны механические параметры двигателя.
• Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
• Сопротивление обмотки фазы. Сопротивление обмотки двигателя на постоянном токе. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
•  Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. От него зависит скорость нарастания тока в обмотке. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.
•  Крутящий момент. Основной механический параметр. Показывает максимальный крутящий момент, который способен создать двигатель. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
•  Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Чем этот параметр меньше, тем двигатель быстрее разгоняется.
•  Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
• Стопорный момент. Момент, необходимый чтобы провернуть вал двигателя при отсутствующем напряжении питания.
• Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
• Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Параметр из раздела электробезопасности.

Недостатки шагового двигателя

• 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

Преимущества шагового двигателя

• 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 от   3 до  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

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

• По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
• По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

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.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Гибридные

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

Практические плюсы:

• малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
• высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Униполярный шаговый двигатель

Униполярные шаговые двигатели, так же как и биполярные, имеют две обмотки, и каждая из них имеет центральный отвод. В зависимости от требуемого направления магнитного поля, в работу включается соответствующая половина обмотки, что достигается простым переключением ключей и существенно упрощает схему драйвера.

Подобный механизм позволяет в качестве управляющей системы использовать простейший униполярный драйвер с четырьмя ключами.

Униполярный двухфазный шаговый двигатель имеет шесть выводов. Но так же бывает, что средние отводы катушек внутри соединены, что позволяет шаговому двигателю иметь только пять выводов.

Благодаря простоте в эксплуатации, данные двигатели имеют широкую популярность среди как новичков любителей, так и во многих промышленных отраслях, поскольку униполярный шаговый двигатель является самым примитивным и дешевым способом получить высокоточные угловые движения.

Биолярные шаговые двигатели

С биполярными шаговыми двигателями дело обстоит немного иначе. Данные двигатели имеют только одну обмотку в одной фазе. Управляющая схема биполярного двигателя должна быть намного сложнее, чтобы менять направление магнитного поля с целью изменить направление тока в обмотке. Этого можно достигнуть с помощью схемы H-bridge. К тому же, для упрощения задачи можно приобрести несколько драйверных чипов, которые вам помогут.

Биполярные шаговые двигатели, в отличие от униполярных имеют два вывода на одну фазу, ни один из которых не является общим. Иногда H-brigde сопровождают статические эффекты трения, что происходит с определенными приводными топологиями, однако это легко можно исправить, сгладив сигнал шагового двигателя на более высоких частотах.

Униполярные шаговые двигатели, в отличие от биполярных, имеют два вывода за фазу, ни одна из которых не является общей. Иногда H-brigde сопровождают статические эффекты трения, что происходит с определенными приводными топологиями, однако это легко можно исправить, сгладив сигнал шагового двигателя на более высоких частотах.

Линейные шаговые синхронные двигатели

С целью автоматизации некоторых производственных процессов на предприятии, иногда возникает необходимость перемещения объектов в плоскости. Чтобы это сделать, потребуется использовать специальный преобразователь вращательного движения в поступательное, что достигается путем применения кинематики.

При помощи линейных шаговых двигателей можно преобразовать импульсную команду прямо в линейное перемещение, что значительно упростит кинематическую схему всевозможных электрических приводов.

Принципиальная схема работы линейного шагового двигателя

Статор в данном приводе представлен в виде магнитомягкой плиты, а провода подмагничиваются путем работы постоянного магнита.

Зубцовые деления в статоре и подвижной части одинаковые, при этом они могут быть сдвинуты на половину деления в пределах одного провода ротора. Поток подмагничивания и его магнитное сопротивление, в данном случае, не зависят от того, где находится подвижная часть двигателя.

Чтобы переместить объект в плоскости согласно двум координатам, применяют двигатели двухкоординатного типа.

Также в линейных двигателях используется магнитно-воздушная подвеска. Благодаря силе магнитного притяжения ротор притягивается к статору. Далее под ротор сквозь форсунки нагнетают воздух в сжатом виде, вследствие чего появляется сила, отталкивающая ротор от статора.

Так между ними возникает воздушная подушка и ротор висит над статором с наличием минимально зазора. Это и обеспечивает минимум сопротивления движения ротора и высокоточное позиционирование.

Принцип работы шагового электродвигателя

1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Драйвер шагового двигателя

Драйвер шагового двигателя это электронное силовое устройство, которое на основании цифровых сигналов управления управляет сильноточными/высоковольтными обмотками шагового двигателя и позволяет шаговому двигателю делать шаги(вращаться). Стандартом управления являются сигналы STEP/DIR/ENABLE. STEP это сигнал шага, DIR это сигнал направления вращения, ENABLE это сигнал включения драйвера.

Управлять шаговым двигателем сложнее, чем обычным коллекторным двигателем, нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Поэтому для управления шаговыми двигателями были разработаны специальные устройства называемые драйверами. Они позволяет управлять вращением ротора в соответствии с сигналами управления и определенным образом делить физический шаг на более мелкие дискреты.

К драйверу подключается источник питания, шаговый двигатель и сигналы управления с платы контроллера. Стандартом по сигналам управления является управление сигналами STEP/DIR или CW/CCW и сигнал ENABLE.

Протокол STEP/DIR:

Сигнал STEP — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг(не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т.д.). Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал DIR — Потенциальный сигнал, сигнал направления. Логическая единица — ШД вращается по часовой стрелке, ноль — ШД вращается против часовой стрелки, или наоборот. Инвертировать сигнал DIR обычно можно либо из программы управления или поменять местами подключение фаз ШД в разъеме подключения в драйвере.

Протокол CW/CCW:

Сигнал CW — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг(не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) по часовой стрелке. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал CW — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг(не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) против часовой стрелки. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал ENABLE — Потенциальный сигнал, сигнал включения/выключения драйвера. Обычно логика работы такая: логическая единица(подано 5В на вход) — драйвер ШД выключен и обмотки ШД обесточены, ноль(ничего не подано или 0В на вход) — драйвер ШД включен и обмотки ШД запитаны.

Драйверы шагового двигателя могут иметь дополнительные функции:

• Контроль перегрузок по току.
• Контроль превышения напряжения питания, защита от эффекта обратной ЭДС от ШД. При замедлении вращения, ШД вырабатывает напряжение, которое складывается с напряжением питания и кратковременно увеличивает его. При более быстром замедлении, напряжение обратной ЭДС больше и больше скачок напряжения питания. Этот скачок напряжения питания может привести к выходу из строя драйвера, поэтому драйвер имеет защиту от скачков питающего напряжения. При превышении порогового значения напряжения питания драйвер отключается.
• Контроль переполюсовки при подключении сигналов управления и питающих напряжений.
• Режим автоматического снижения тока обмотки при простое(отсутствии сигнала STEP) для снижения нагрева ШД и потребляемого тока(режим AUTO-SLEEP).
• Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса ШД. Резонанс обычно проявляется в диапазоне 6-12 об/сек, ШД начинает гудеть и ротор останавливается. Начало и сила резонанса сильно зависит от параметров ШД и его механической нагрузки. Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса позволяет полностью исключить резонирование ШД и сделать его вращение равномерным и устойчивым во всем диапазоне частот.
• Схему изменения формы фазовых токов с увеличением частоты(морфинг, переход из режима микрошага в режим шага при увеличении частоты). ШД способен отдать заявленный в ТХ момент только в режиме полного шага, поэтому в обычном драйвере ШД без морфинга при использовании микрошага ШД работает на 70% от максимальной мощности. Драйвер ШД с морфингом позволяет получить от ШД максимальную отдачу по моменту во всем диапазоне частот.
• Встроенный генератор частоты STEP – удобная функция для пробного запуска драйвера без подключения к ПК или другому внешнему генератору частоты STEP. Также генератор будет полезен для построения простых систем перемещения без применения ПК.

Драйверы шаговых двигателей различаются по сложности. Современные драйверы можно комбинировать с множеством различных типов шаговых двигателей. Настройки для конкретного двигателя обычно настраивается пользователем во время установки. Но в целом драйверы шаговых двигателей — относительно простые устройства.

На иллюстрации выше изображен драйвер A4988. Задача компонентов, состоит в том, чтобы реагировать импульсные команды шага, поступающие от контроллера машины и преобразовывать их в правильную схему включения-выключения, необходимую для привода шагового двигателя. Эта схема активирует фазы в правильном порядке, чтобы двигать двигатель шаг за шагом в том или ином направлении.

Здесь необходимо отметить важный момент: в драйвере шагового двигателя очень мало интеллекта. Эта функция предоставляется контроллеру 3D принтера. Фактически, драйвер выполняет только две основные функции:  упорядочивание фаз и управление фазным током.

Драйвера могут поставляться как отдельный компонент, так и вместе с платы контроллеров для 3D принтеров, например таких как Creality 4.2.7.

Контроллеры ШД

Контроллеры – платы коммутации, используемые для преобразования управляющих команд, поступающих с ПК, в последовательность импульсов для драйверов. Плата может иметь дополнительный функционал – разъемы для подключения концевых ограничителей, силовые реле, разъемы для управления шпинделем. Подключается к компьютеру через LPT или USB интерфейс.

Многоканальные драйверы ШД –устройство объединяющее в себе драйвера ШД и плату коммутации. Подключаются к ПК непосредственно управляют ШД. Также в состав контроллера входят такие функциональные возможности как таймер СОЖ, конвертор ШИМ для инвертора, силовые реле, разъемы для подключения датчиков ограничения линейных перемещений. Драйвера могут исполняться на различное количество ШД.

Как вам статья?

Павел

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы