Шаговый двигатель своими руками, принцип работы, схема подключения

Для работы любого электрического прибора, необходим специальный приводной механизм. Шаговый двигатель, является одним из таких устройств. Сегодня есть большой выбор разнообразных электродвигателей, разделяющихся по типу и по схеме драйвера, которым управляет контроллер.

Оглавление:

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это синхронное электромеханическое устройство, которое передает сигнал управления в механическое движения ротора. Вращение происходит шагами, которые фиксируются в определенном положении.

Принцип работы шагового двигателя

При прикладывании напряжения к клеммам, щетки электродвигателя запускаются и начинают беспрерывно вращаться. Движок холостого хода обладает особым свойством, это превращение входящих импульсов прямоугольной направленности в заранее установленное положение приложенного ведущего вала.

Вал сдвигается под фиксированным углом с каждым импульсом. Если вокруг центрального куска железа зубчатой формы расположены несколько зубчатых электромагнитов, то устройства с таким редуктором достаточно эффективны. Микроконтроллер возбуждает электромагниты. Один зубчатый электромагнит под воздействием энергии притягивает зубья зубчатого колеса к своей поверхности, таким образом, вал двигателя делает поворот. Когда зубья выровнены по отношению к электромагниту, они немного смещаются к соседней магнитной детали.

Чтобы шестеренка начала вращение и выровнялась с предыдущим колесом, первый электромагнит отключается, а следующий включается. Затем весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо. Такое вращение называют постоянным шагом. Подсчитав количество шагов при полном обороте двигателя, определяется скорость его вращения.

Модели шаговых двигателей

Шаговые двигатели по конструкции ротора делятся на три типа: реактивный, с постоянными магнитами и гибридный.

1. В настоящее время синхронные реактивные двигатели применяются редко. Их используют, когда нужен небольшой момент и слишком большой угол поворота шага. Ротор изготовлен из магнитомягкого материала с отчетливыми полюсами, имеет большой угол шага, при отсутствии тока нет фиксирующего момента. Это самый простой и дешевый двигатель. Статор состоит из шести полюсов и трех фаз, а ротор имеет четыре полюса. При этом шаг устройства составляет 30 градусов. Вращающееся магнитное поле создается последовательным включением фаз статора. Ротор за один шаг поворачивается на угол меньше угла статора, так происходит из-за меньшего количества полюсов.
2. Двигатель с постоянными магнитами состоит из ротора на постоянных магнитах и статора с двумя фазами. В отличие от реактивных устройств, у двигателей на постоянных магнитах после снятия управляющего сигнала ротор фиксируется. Так, происходит благодаря большим вращающим моментам. Так как процесс изготовления ротора сопровождается большими технологическими трудностями (большое число полюсов+постоянные магниты), получается большой угловой шаг до 90 градусов. Это является их единственным недостатком. При работе с однополярной схемой управления обмотки в центре могут быть с ответвлением. Обмотки без центрального ответвления питаются через двуполярную схему управления. Исходя из этого устройство шагового двигателя разделяется на два типа по виду обмоток, униполярные и биполярные.

Униполярный. Изменять расположение магнитных полюсов можно, не меняя при этом направленность тока. Достаточно включить отдельно каждую фазу обмотки. Устройство состоит из одной обмотки на фазу с расположенным в центре ответвлением.

Биполярный . У таких двигателей на фазу приходится одна обмотка, нет общего вывода, а есть два — на фазу. Благодаря этому биполярные устройства обладают наибольшей мощностью, чем униполярные. Для изменения магнитных полярностей полюсов, в обмотке изменяют направления тока.

Гибридный двигатель

Чтобы уменьшить угол шага, был разработан гибридный шаговый двигатель. В свою конструкцию, он включает лучшие свойства двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя. Ротор представлен в виде намагниченного вдоль продольной оси цилиндрического магнита. Статор состоит из двух или четырех фаз, которые размещены между парами явно выраженных полюсов.

Как запустить шаговый двигатель, его управление

Работа по подключению и управлению шагового двигателя будет зависеть от того, каким образом вы хотите запустить устройство и сколько проводов находится на приводе. Шаговые электродвигатели могут иметь от 4 до 8 проводов, поэтому для их подключения используют определенную схему.

• С четырьмя проводами. Каждая фазная обмотка имеет по два провода. Чтобы подсоединить драйвер пошагово, нужно найти парные провода с непрерывной связью между ними. Такой двигатель используется только с биполярным прибором.
• С пятью проводами. Центральные клеммы мотора внутри объединяются в сплошной кабель и выведены к одному проводу. Отделить обмотки друг от друга невозможно, так как появится много разрывов. Выйти из положения можно, если установить где находится центр провода и попытаться соединить его с другими проводниками. Это самый эффективный и безопасный режим. Затем устройство подключается и проверяется на работоспособность.
• С шестью проводами. Каждая обмотка имеет несколько проводов и центр-кран. Для разделения провода применяют измерительный прибор. Мотор можно подключать к однополярному и биполярному устройству. При подключении к однополярному устройству используются все провода. Для биполярного устройства один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Для управления шаговым двигателем требуется контроллер. Контроллер, это схема, подающая напряжение к одной из катушек статора. Контроллер изготовлен на базе интегральной микросхемы типа ULN 2003 включающей в себя комплект составных ключей. Каждый ключ имеет на выходе защитные диоды, которые, позволяют подключать индукционные нагрузки, не требуя дополнительной защиты.

Как работает шаговый двигатель?

Устройство может работать в трех режимах:

• Микрошаговый режим. Устройства, работающие на микрошагововом режиме, являются новейшими разработками некоторых производителей и используются в основном в микроэлектронике или на промышленных конвейерах. Специальный чип создает такое напряжение, что вал становится в положение одной сотой шага, к примеру, на 1 оборот происходит 20 тыс. перемещений. Драйвер может создавать более 50 тысяч циклов управляющих напряжений на 1 оборот.
• Половинный режим. Благодаря тому, что в режиме половинного шага уровень вибраций сокращается, такие устройства часто используются в промышленности. После того как одна фаза активируется, она замирает в таком положении до тех пор, пока не включится следующая. Получается промежуточное положение и на зуб воздействуют одновременно два полюса. Когда первая фаза отключается, ротор продвигается вперед на полшага.
• Полный режим. Управляющее напряжение по очереди передается по всем фазам и получается полный шаг (на 1 оборот 200 перемещений).

Техническая характеристика шагового двигателя

В области электротехники и механики шаговый электродвигатель считается сложным устройством, которое включает в себя множество механических и электрических возможностей. На практике применяются следующие технические характеристики:

1. Номинальный ток и напряжение. Максимально допустимый ток указан в механических параметрах электродвигателя. Номинальный ток, является главным электрическим параметром, при котором двигатель может работать сколько угодно времени. Номинальное напряжение указывают редко, его вычисляют по закону Ома. Оно показывает постоянное максимальное напряжение на обмотке двигателя, когда он находится в статическом режиме.
2. Сопротивление фазы. Параметр показывает какое максимальное напряжение можно подавать на обмотку фазы.
3. Индуктивность фазы. Насколько быстро будет увеличиваться ток в обмотке показывает этот параметр. Чтобы ток быстрее увеличивался при переключении фаз на высоких частотах, напряжение приходится делать больше.
4. Число полных шагов за 1 оборот. Параметр показывает насколько электродвигатель точен, его плавность и допустимую способность.
5. Вращающий момент. Механические данные показывают частоту вращения, которая зависит от момента вращения. Параметр указывает максимальное время вращения электродвигателя.
6. Удерживающая фаза. Эта фаза показывает момент вращения при остановленном устройстве. Две фазы устройства должны быть запитаны номинальным током.
7. Момент ступора. Во время отсутствия напряжения питания, он необходим для того, чтобы вал электродвигателя можно было провернуть.
8. Время энерции ротора. Означает как быстро разгоняется двигатель. Чем показатель меньше, тем скорость разгона больше.
9. Пробивное напряжение. Параметр относится к разделу электробезопасности и показывает наименьшее напряжение, пробивающее изоляцию между корпусом и обмотками устройства.