Что такое шаговый двигатель и какие они бывают

Что такое шаговый двигатель и какие они бывают

Шаговые синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Шаговые двигатели (ШД) служат для преобразования импульсного или кодового сигнала в угловое перемещение. В последнее время в связи с развитием компьютерной техники и технологии их область применения постоянно расширяется.

Шаговые двигатели являются синхронными электрическим машинами, у которых обмотки статора питаются от источника постоянного тока. Как и обычные двигатели они бывают активными (с возбужденным ротором) и реактивными. Активный ротор позволяет получить больший вращающий момент и обеспечить фиксацию положения при обесточенных обмотках статора.

На статоре ШД располагаются несколько обмоток, подключаемых в определенной последовательности к источнику постоянного тока с помощью электронного коммутатора. На рис. 1 схематически изображен шаговый реактивный двигатель с тремя обмотками на статоре. На временной диаграмме показаны токи в обмотках. На первом участке ток подается в обмотку 1. Она формирует неподвижное магнитное поле, ось полюсов которого совпадает с геометрической осью обмотки. Ротор разворачивается и ориентируется по оси магнитного поля. Затем к источнику питания подключается обмотка 2. Обе обмотки создают магнитное поле с осью полюсов, проходящей между осями обмоток и ротор поворачивается на . На следующем интервале обмотка 1 отключается и остается включенной обмотка 2. При этом ротор поворачивается еще на , ориентируясь вдоль ее оси. Далее подключается обмотка 3 и алгоритм циклически повторяется, вызывая дискретное перемещение ротора. Коммутацию обмоток в любой момент можно остановить и ротор останется в положении, соответствующем состоянию включенных обмоток.

Угловое смещение ротора при каждой коммутации называется шагом.

В каждом статическом состоянии между коммутациями ШД работает как обычный синхронный двигатель и имеет угловую характеристику (УХ), соответствующую его типу (активный или реактивный). На рис. 2 а) показаны УХ, соответствующие трём соседним шагам двигателя. Начало координат совмещено с УХ mpqn , соответствующей протеканию тока в некоторой произвольно выбранной обмотке (или комбинации обмоток). Включение обмотки, соответствующей требуемому смещению ротора на один шаг вперёд (+) или назад (–), эквивалентно скачкообразному смещению УХ в положительном или отрицательном направлении или, что то же самое, скачкообразному увеличению или уменьшению угла нагрузки q на величину шага. При этом скачкообразно изменяется и вращающий момент, развиваемый ШД. Однако для движения в положительном направлении вращающий момент после коммутации обмоток M (0₊) должен быть больше момента до коммутации M (0_–), а для движении в отрицательном направлении – меньше, т.е. M (0₊) M (0_–). Участки послекоммутационных УХ, соответствующие эти условиям, выделены на рис. 2 а) толстыми линями. Из рисунка следует, что для обеспечения движения в обоих направлениях рабочая точка должна находиться на участке pq исходной УХ, ограниченном точками ее пересечения с послекоммутационными УХ, т.е. угол нагрузки q должен находиться в пределах . Это эквивалентно условию

(1)

где: M _н – нагрузочный момент на валу ШД; M _max – максимальный момент, развиваемый ШД; a – шаг двигателя в электрических угловых единицах измерения, связанный с пространственным шагом ротора отношением ; z _p – число пар полюсов ШД.

На рис. 2 б) показаны варианты отработки шага в положительном и отрицательном направлениях при выполнении условия (1). Статический режим в исходном положении соответствует точке a . При отработке положительного шага в момент коммутации происходит переход в точку b ₊, а затем, по мере поворота ротора, в точку c ₊, соответствующую новому статическому состоянию. Шаг в отрицательном направлении из точки a происходит после коммутационного скачка в точку b _– и последующего перемещения в точку c _–. В случае нарушения условия (1), например, при отработке шага в положительном направлении, исходная рабочая точка a располагается выше точки q (рис. 2 в). При коммутации происходит переход в точку b ₊ с меньшим, чем у нагрузки вращающим моментом. Поэтому, в соответствии с уравнением движения ( ), ротор ШД начнёт вращаться с отрицательным ускорением e пока не достигнет точки равновесия с ’, смещенной по отношению к точке на угол 2 p – a . В случае ротор после коммутации окажется в положении неустойчивого равновесия в точке q и может случайным образом переместиться на один шаг в положительном направлении или на угол 2 p – a в отрицательном. Таким образом, нарушение условия (1) приводит к полной потере работоспособности ШД.

Из выражения (1) следует, что располагаемый вращающий момент ШД всегда меньше максимально возможного и стремится к нему при . На рис. 2 г) показана зависимость располагаемого момента от числа шагов n на периоде коммутации. Работа ШД с числом шагов менее трёх вообще невозможна. При трёх шагах на периоде момент вдвое меньше максимального, а при десяти отличается от него менее чем на 10%.

Коммутацию обмоток ШД можно производить в разных режимах. Различают следующие режимы работы двигателей.

Статический режим, когда в обмотках статора протекает постоянный ток и магнитное поле неподвижно. Ротор находится в фиксированном положении и может только отклоняться от него на угол нагрузки q .

Квазистатический режим — режим когда коммутация обмоток совершается непрерывно, но между моментами переключения электромагнитные и механические переходные процессы полностью заканчиваются и скорость ротора в начале каждого шага равна нулю. Этот режим по существу является последовательностью статических режимов.

Установившийся режим работы, это режим при постоянной частоте коммутации обмоток. Ротор двигателя в этом режиме имеет постоянную среднюю скорость вращения, но совершает периодические и непериодические угловые колебания. Мерой длительности переходных процессов в ШД является период или частота собственных колебаний ротора , т.е. частота свободных угловых колебаний, которые будет совершать ротор, возвращаясь в состояние равновесия под действие магнитного поля статора. На практике частоту коммутации выбирают из условия . Наименьшую динамическую ошибку обеспечивает режим работы при двойной частоте коммутации . Эту частоту можно считать оптимальной для слабонагруженных приводов.

Помимо частоты собственных колебаний, для работы двигателей большое значение имеет электромагнитная постоянная времени обмоток статора , где — постоянная составляющая индуктивности обмотки статора, — полное активное сопротивление цепи обмотки. Электромагнитные процессы в двигателе можно не учитывать, если

Кроме указанных режимов работы существуют переходные режимы — пуск, ускорение, замедление, реверс. В этих режимах также недопустима потеря шагов.

Пуск ШД обычно осуществляется из фиксированного неподвижного состояния путем скачкообразного увеличения частоты коммутации. Пусковые свойства двигателей характеризуются частотой приёмистости, т.е. максимальной частотой коммутации, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма (без потери шагов). Частота приёмистости возрастает с увеличением максимального момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, величины нагрузки и момента инерции, приведённого к валу ротора.

Торможение ротора осуществляется скачкообразным прекращением коммутации. Предельная частота торможения, при которой ротор останавливается без потери шагов, как правило, выше частоты приёмистости.

Реверс осуществляется скачкообразным изменением алгоритма коммутации. Предельная частота реверса всегда меньше частоты приёмистости.

Основными характеристиками, определяющими свойства ШД как электромеханического преобразователя, являются рабочие динамические характеристики. К ним относятся предельная механическая характеристика и зависимость частоты приёмистости от момента нагрузки. Предельная механическая характеристика – это зависимость тактовой частоты коммутации или, что то же самое, средней скорости вращения ротора, от момента нагрузки на валу, при котором ротор ШД выпадает из синхронизма. Под частотой приемистости понимают максимальную частоту тактовых импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без потери шага. Различие этих двух характеристик заключается в том, что первая из них соответствует выходу из синхронизма в режиме вращения ротора, а вторая – при пуске. Поэтому отличие характеристик чисто количественное. На рис. 3 сплошными линиями показан ряд механических характеристик ШД. Они имеют вид горизонтальных отрезков. У синхронных двигателей с круговым вращающимся полем эти отрезки ограничены максимальным синхронизирующим моментом , а у ШД в квазистатическом режиме они ограничены моментом нагрузки в соответствии с выражением (1) или пусковым моментом .

В установившемся режиме с частотами коммутации выше предельной частоты квазистатического режима выход из синхронизма наступает при меньших моментах нагрузки вплоть до нулевого при частоте коммутации , когда работа ШД становится вообще невозможной (линия 1 рис. 3). Однако на практике предельная частота коммутации может быть существенно выше вследствие влияния явления механического резонанса. При этом максимальный момент нагрузки на некоторых частотах может превышать значение, соответствующее статическому режиму. В целом предельная механическая характеристика с учетом резонансных явлений имеет вид кривой 2 на рис. 3.

Шаговые двигатели находят широкое применение в маломощном приводе систем автоматического управления станков, роботов и манипуляторов, в телемеханике и вычислительной технике.

Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Шаговые двигатели постоянного тока получили широкое распространение в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основным отличием данного электромотора является принцип его работы. Вал шагового электродвигателя не вращается длительное время, а лишь поворачивается на определенный угол. Этим обеспечивается точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Электропитание такого двигателя дискретное, то есть осуществляются импульсами. Эти импульсы и поворачивают вал на определенный угол, каждый такой поворот называется шагом, отсюда и пошло название. Зачастую данные электромоторы работают в тандеме с редуктором для повышения точности установки и момента на валу, и с энкодером для отслеживания положения вала в текущий момент. Эти элементы необходимы для передачи и преобразования угла вращения. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик об устройстве, принципе работы и назначении шаговых двигателей.

• Как устроен шаговый двигатель
• Принцип действия
• Виды и типы по полярности или типу обмоток
• Типы двигателей по конструкции ротора
• Управление ШД
• Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

Как устроен шаговый двигатель

По своему типу это бесколлекторный синхронный электродвигатель. Состоит из статора и ротора. На роторе обычно расположены секции, набранные из листов электротехнической стали (на фотографии это «зубчатая» часть), а те, в свою очередь, разделены постоянными магнитами. На статоре расположены обмотки, в виде отдельных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях применяются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы был рассмотрен на базе биполярной машины. Такая конструкция предусматривает использование разных фаз для питания обмоток. Схема очень сложна и требует дорогостоящих и мощных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой схеме начало обмоток подключены к общему «плюсу». На вторые выводы обмоток поочередно подается «минус». Тем самым обеспечивается вращение ротора.

Биполярные шаговые двигатели более мощные, крутящий момент у них на 40% больше чем в униполярных. Униполярные электромоторы гораздо более удобны в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

• с постоянным магнитом;
• с переменным магнитным сопротивлением;
• гибридные.

ШД с постоянными магнитами на роторе устроен также, как и в рассмотренных выше примерах. Единственным отличием является то, что в реальных машинах количество магнитов гораздо больше. Распределены они обычно на общем диске. Количество полюсов в современных моторах доходит до 48. Один шаг в таких электромоторах составляет 7,5°.

Электромоторы с переменным магнитным сопротивлением. Ротор данных машин изготавливается из магнитомягких сплавов, их также называют «реактивный шаговый двигатель». Ротор собирается из отдельных пластин и в разрезе выглядит как зубчатое колесо. Такая конструкция необходима для того, чтобы через зубцы замыкался магнитный поток. Основным достоинством такой конструкции является отсутствие стопорящего момента. Дело в том, что ротор с постоянными магнитами притягивается к металлическим деталям электромотора. И провернуть вал при отсутствии напряжения на статоре достаточно тяжело. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенным минусом является небольшой крутящий момент. Шаг подобных машин обычно составляет от 5° до 15°.

Гибридный ШД был разработан для объединения лучших характеристик двух предыдущих типов. Такие двигатели имеют маленький шаг в пределах от 0,9 до 5°, обладают высоким моментом и удерживающей способностью. Самым важным плюсом является высокая точность работы устройства. Такие электромоторы применяются в самом современном высокоточном оборудовании. К минусам можно отнести только их высокую стоимость. Конструктивно ротор данного устройства представляет собой намагниченный цилиндр, на котором расположены магнитомягкие зубцы.

Для примера в ШД на 200 шагов используются два зубчатых диска с числом зубцов 50 штук на каждом. Диски смещены относительно друг друга на ползуба так, что впадина положительного полюса совпадает с выступом отрицательного и наоборот. Благодаря этому у ротора есть 100 полюсов с обратной полярностью.

То есть и южный, и северный полюс может сместиться относительно статора в 50 различных положений, а в сумме 100. А смещение фаз на четверть дает еще 100 позиций, производится это за счет последовательного возбуждения.

Управление ШД

Управление производится следующими методами:

1. Волновой. В данном методе напряжение подается только на одну катушку, к которой и притягивается ротор. Так как задействована только одна обмотка крутящий момент ротора небольшой, и не подходит для передачи больших мощностей.
2. Полношаговый. В данном варианте возбуждаются сразу две обмотки, благодаря чему обеспечивается максимальный момент.
3. Полушаговый. Объединяет первые два метода. В данном варианте напряжение подается сначала на одну из обмоток, а затем на две. Таким образом реализуется большее количество шагов, и максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор при больших скоростях.
4. Микрошаговое регулирование производится подачей микроступенчатых импульсов. Такой метод обеспечивает плавное вращение ротора и снижает рывки при работе.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

• высокие скорости пуска, остановки, реверса;
• вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
• четкая фиксация положения после остановки;
• высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
• высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
• поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.

• возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
• вероятность резонанса;
• сложная схема управления;
• невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.

Шаговый электродвигатель

Ша́говый электродви́гатель — синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Содержание

• 1 Описание
• 2 Использование
  • 2.1 Датчик поворота
• 3 Преимущества и недостатки
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература
• 7 Ссылки

Описание [ править | править код ]

Первые шаговые двигатели появились в 1830-х годах и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение [1] .

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя [2] :

• с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
• реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
• гибридный.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6-градусных двигателей и 8 основных полюсов для 1,8—0,9-градусных двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть — между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Использование [ править | править код ]

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках, можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10—20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования [en] (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 и др. — размер фланца 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс⋅см, NEMA 34 — до 120 кгс⋅см и до 210 кгс⋅см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота [ править | править код ]

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:

• без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя;
• возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100%-го, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).

Преимущества и недостатки [ править | править код ]

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернётся строго на определённый угол. Стоимость шаговых приводов в среднем в 1,5—2 раза ниже сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Можно отметить также длительный срок службы, порой сравнимый со временем морального устаревания или выработки ресурса всего станка; точность работы ШД за это время падает незначительно. Нетребовательны к техобслуживанию.

Возможность «проскальзывания» ротора — наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях [ источник не указан 3001 день ] . Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить мощность двигателя.

Шаговый двигатель нема 17 характеристики. Чем отличаются типы шаговых двигателей Nema. Отличия между типами двигателей Nema

Униполярный двухфазный шаговый двигатель (stepper motor) — привод, который способен поворачиваться на заданное количество шагов. Один полный оборот разбит на 200 шагов. Таким образом, вы можете заставить повернуться вал мотор на произвольный угол, кратный 1,8°.

Двигатель имеет стандартный в промышленности размер фланца 42 мм, известный как типоразмер Nema 17. Такие двигатели часто используются для создания координатных станков с ЧПУ, 3D-принтеров и других механизмов, где необходимо точное позиционирование.

Выводы мотора — 6 проводов со свободными концами, где каждая тройка подведена к концам и центру обмотки, отвечающей за свою фазу. Таким образом вы можете подключить двигатель как в униполярном, так и в биполярном режиме. Для управления мотором с помощью микроконтроллера понадобится драйвер-посредник такой как драйвер шагового двигателя (Troyka-модуль) , сборка Дарлингтона ULN2003 или H-мост L293D . Для контроля с помощью Arduino также подойдёт плата расширения Motor Shield .

Подробнее о подключении шаговых моторов к Arduino вы можете прочитать в статье на официальной вики.

Для крепления колёс, шкивов и других элементов на валу мотора удобно использовать специальную втулку-переходник .

Рекомендованное напряжение питания мотора — 12 В. При этом ток через обмотки составит 400 мА. Если в вашем устройстве сложно получить указанный режим питания, вы можете вращать мотор и с помощью меньшего напряжения. В этом случае соответственно снизится потребляемый ток и крутящий момент.

Характеристики

• Шаг: 1,8°±5% (200 на оборот)
• Номинальное напряжение питания: 12 В
• Номинальный ток фазы: 400 мА
• Крутящий момент (holding torque): не менее 3,17 кг×см
• Крутящий момент покоя (detent torque): 0,2 кг×см
• Максимальная скорость старта: 2500 шагов/сек
• Диаметр вала: 5 мм
• Длина вала: 24 мм
• Габариты корпуса: 42×42×48 мм (Nema 17)
• Вес: 350 г

Перед началом очередного проекта на Arduino, было решено использовать шаговый двигатель Nema 17.

Почему именно Nema 17? В первую очередь, из-за отличного соотношения цена/качество.

Перед подключением Nema 17, за плечами был определенный опыт работы с шаговиком 24byj48 (даташит). Управлялся он и с помощью Arduino, и с помощью Raspberry pi, проблем не возникало. Основная прелесть этого двигателя — цена (около 3 долларов в Китае). Причем, за эту сумму вы приобретаете двигатель с драйвером в комплекте. Согласитесь, такое можно даже и спалить, не особо сожалея о содеянном.

Теперь появилась задача поинтереснее. Управлять шаговым двигателем Nema 17 (даташит). Данная модель от оригинального производителя реализуется по цене около 40 долларов. Китайские копии стоят раза в полтора-два дешевле — около 20-30 долларов. Очень удачная модель, которая часто используется в 3D принтерах и CNC-проектах. Первая возникшая проблема — как подобрать драйвер для этого двигателя. Силы тока на пинах Arduino для питания не хватит.

Выбор драйвера для управления Nema 17

Google подсказал, что для оживления Nema 17 можно использовать драйвер A4988 от Poulou (даташит).

Кроме того, есть вариант использования микросхем L293D. Но A4988 считается более подходящим вариантом, так что на нем и остановились во избежание потенциальных проблем.

Как уже упоминалось выше, использовались двигатель и драйвер, заказанные из Китая. Ссылки ниже.

• КУПИТЬ драйвер шагового двигателя A4988 с доставкой из Китая ;

Подключение Nema 17 через A4988

Подключение было реализовано на основании этой темы на Arduino форуме. Рисунок приведен ниже.

Собственно, данная схема присутствует практически на каждом блоге-сайте, посвященном Arduino. Плата была запитана от 12 вольтового источника питания. Но двигатель не вращался. Проверили все соединения, еще раз проверили и еще раз.

Первая проблема

Наш 12 вольтовый адаптер не выдавал достаточной силы тока. В результате адаптер был заменен на 8 батареек АА. И двигатель начал вращаться! Что ж, тогда захотелось перескочить с макетной платы на прямое подключение. И тут возникла

Вторая проблема

Когда все было распаяно, двигатель опять перестал двигаться. Почему? Не понятно до сих пор. Пришлось вернуться к макетной плате. И вот тут возникла вторая проблема. Стоит предварительно было посидеть на форумах или внимательно почитать даташит. Нельзя подключать-отключать двигатель когда на контроллер подано питание! В результате контроллер A4988 благополучно сгорел.

Эта проблема была решена покупкой нового драйвера на eBay. Теперь, уже с учетом накопленного грустного опыта, Nema 17 был подключен к A4988и запущен, но.

Шаговый двигатель сильно вибрирует

Во время вращения ротора двигатель сильно вибрировал. О плавном движении не было и речи. Гугл вновь в помощь. Первая мысль — неправильное подключение обмоток. Ознакомление с даташитом шагового двигателя и несколько форумов убедили, что проблема не в этом. При неправильном подключении обмоток двигатель просто не будет работать. Решение проблемы крылось в скетче.

Программа для Arduino

Оказалось, что есть замечательная библиотека для шаговых двигателей, написанная ребятами из Adafruit. Используем библиотеку AcclStepper и шаговый двигатель начинает работать плавно, без чрезмерных вибраций.

Основные выводы

1. Никогда не подключайте/отключайте двигатель, когда на контроллер подано питание.
2. При выборе источника питания, обратите внимание не только на вольтаж, но и на мощность адаптера.
3. Не расстраивайтесь, если контроллер A4988 вышел из строя. Просто закажите новый;)
4. Используйте библиотеку AcclStepper вместо голого кода Arduino. Шаговый двигатель с использованием этой библиотеки будет работать без лишних вибраций.

Скетчи для управления шаговым двигателем

Простой Arduino-код для проверки шагового двигателя

//простое подключение A4988

//пины reset и sleep соединены вместе

//подключите VDD к пину 3.3 В или 5 В на Arduino

//подключите GND к Arduino GND (GND рядом с VDD)

//подключите 1A и 1B к 1 катушке шагового двигателя

//подключите 2A и 2B к 2 катушке шагового двигателя

//подключите VMOT к источнику питания (9В источник питания + term)

//подключите GRD к источнику питания (9В источник питания — term)

int stp = 13; //подключите 13 пин к step

int dir = 12; //подключите 12 пин к dir

if (a 400) // вращение на 200 шагов в направлении 2

Второй код для Arduino для обеспечения плавного вращения двигателя. Используется библиотека AccelStepper library .

AccelStepper Stepper1(1,13,12); //использует пин 12 и 13 для dir и step, 1 — режим «external driver» (A4988)

int dir = 1; //используется для смены направления

Stepper1.setMaxSpeed(3000); //устанавливаем максимальную скорость вращения ротора двигателя (шагов/секунду)

Stepper1.setAcceleration(13000); //устанавливаем ускорение (шагов/секунду^2)

Stepper1.move(1600*dir); //устанавливает следующее перемещение на 1600 шагов (если dir равен -1 будет перемещаться -1600 -> противоположное направление)

dir = dir*(-1); //отрицательное значение dir, благодаря чему реализуется вращение в противоположном направлении

delay(1000); //задержка на 1 секунду

Stepper1.run(); //запуск шагового двигателя. Эта строка повторяется вновь и вновь для непрерывного вращения двигателя

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!

Шаговые двигатели стандарта NEMA 17 являются одними из самых популярных и распространенных, благодаря диапазону крутящего момента, компактным размерам, а также низкой стоимости они отлично подходят для подавляющего большинства конструкций, где требуется организовать систему точных перемещений.

Данный типоразмер является отличным выбором при построении 3D-принтеров. В популярны моделях используют от трех штук до четырех штук для организации передвижения по трем осям (4 штуки для тех моделей, где используются два двигателя для перемещение по оси Y — к примеру, RepRap Prusа i3 или RepRap Prusa Mendel и им подобных). Также потребуется одна штука на экструдер, который печатает одной нитью пластика или две штуки на экструдер, который может печатать двумя нитями пластика одновременно. Обычно на оси берут более мощные модели, а на экструдер послабее, так как для экструдера достаточно небольшого крутящего момента, а меньший вес используемых двигателей позволяет снизить нагрузку на оси перемещений.

Стандарт NEMA определяет размеры фланца шагового двигателя, NEMA 17 означает размер фланца в 1.7 дюйма, в метрической системе он будет соответствовать 42.3мм, а расстояние между посадочными размерами будет составлять 31мм. Подавляющее большинство двигателей данного типоразмера имеет толщина вала равную 5мм. Вы можете ознакомиться с чертежом фланца для данного типоразмера на изображении выше.

Для управления перемещениями вам также потребуется драйвер шагового двигателя. Для данного типоразмера подходит огромное количество драйверов в разных ценовых категориях. К примеру, благодаря невысокой стоимости часто используются микро-драйвера типа A4988, DVR8825 и им подобные. Их удобно использовать в связке с Arduino — в этом случае вам пригодится отличный шилд RAMPS 1.4, который позволяет подключать до 5 осей. Также большое распространение получили одноплатные драйвера на микросхемах TB6560 и TB6600 от компании Toshiba, они бывают как одноканальными, так и многоканальными. Эти устройства уже можно отнести к классу полупрофессиональных драйверов, они имеют опторазвязанные входы-выходы, их можно подключать напрямую к LPT-порту компьютера, они реализуют более продвинутую логику управления, а их мощности хватит для двигателей большего типоразмера. Также можно упомянуть профессиональные модульные драйвера, они могут контролировать пропускание шагов, реализовывать движение с ускорением, возможностями обрабатывать критические ситуации (к примеру короткое замыкание), но они не особо популярны в любительском сегменте за счет более высокой цены.

Отдельным классом идут специализированные контроллеры для 3D-принтеров, к примеру Printrboard, в отличие от обычных драйверов, кроме реализации перемещений по осям, они могут управлять и контролировать температуру сопла экструдера, температуру нагревательного стола и реализовывать прочие возможности, которые специфичны именно для области. Использование таких контроллеров предпочтительней всего.

У нас вы можете выбрать и купить шаговые двигатели NEMA 17 для построения 3D-принтера по выгодным ценам.