Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Датчик оборотов шагового двигателя

Если заглянуть в историю приводной техники, то можно увидеть, что шаговый двигатель (ШД) появился как дешевая альтернатива позиционному приводу. При этом отличительным и наиболее ценным его качеством являлась крайняя простота управления позицией вала — достаточно лишь в правильной последовательности подавать импульсы в обмотки двигателя и вал шагового двигателя начинает вращаться. Именно это достоинство служило основой массового использования ШД в устройствах автоматизации.

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество — это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабаритных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.

Общие принципы работы шаговых двигателей

Внешний вид шагового двигателя 28-BYJ48 (купить на AliExpress) представлен на следующем рисунке:

Первый вопрос, который напрашивается при взгляде на этот рисунок – почему в отличие от обычного двигателя из этого шагового двигателя выходят 5 проводов различных цветов? Чтобы понять это давайте сначала разберемся с принципами работы шагового двигателя.

Начнем с того, что шаговые двигатели не вращаются, а “шагают”, поэтому они и называются шаговыми двигателями. То есть в один момент времени они будут передвигаться только на один шаг. Чтобы добиться этого в устройстве шаговых двигателей присутствует несколько катушек и на эти катушки нужно подавать питание в определенной последовательности чтобы двигатель вращался (шагал). При подаче питания на каждую катушку двигатель делает один шаг, при последовательной подаче питания на катушки двигатель будет совершать непрерывные шаги, то есть вращаться. Давайте более подробно рассмотрим катушки, присутствующие внутри шагового двигателя.

Как можно видеть из рисунка, двигатель имеет однополярную катушку с 5 выводами. Но фактически это 4 катушки, на которые нужно подавать питание в определенной последовательности. На красные провода необходимо подать +5V, на остальные 4 провода необходимо подать землю чтобы запустить в работу соответствующую катушку. Мы будем использовать плату Arduino чтобы подавать питание на эти катушки в определенной последовательности и тем самым заставлять двигатель вращаться. Более подробно ознакомиться с принципами работы шаговых двигателей можно в статье про подключение шагового двигателя к микроконтроллеру AVR.

Так почему же этот двигатель называется 28-BYJ48? Честно говоря, мы не знаем точного ответа на этот вопрос. Некоторые наиболее важные технические характеристики этого шагового двигателя приведены на следующем рисунке.

На первый взгляд от такого количества характеристик может закружиться голова, но давайте попробуем выделить из них самые важные, те, которые нам понадобятся для дальнейшей работы. Во-первых, мы знаем, что это шаговый двигатель 5V, поэтому необходимо подавать на красный провод 5V. Также мы знаем что это четырехфазный шаговый двигатель поскольку в нем четыре катушки. Передаточное число этого двигателя — 1: 64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, сделает одно полное вращение в том случае, когда двигатель внутри сделает 64 оборота. Это происходит благодаря шестерням, которые включены между двигателем и выходным валом. Эти шестерни помогают в увеличении крутящего момента.

Читать еще:  Ford fusion тюнинг двигателя

Еще одним важным показателем, который нам следует знать, является угол шага: 5.625°/64. Это значит что когда двигатель сделает последовательность в 8 шагов он будет поворачиваться на 5.625° при каждом шаге и за один полный оборот он сделает 64 шага (5.625*64=360).

Расчет шагов на оборот для шагового двигателя

Важно знать, как рассчитать количество шагов за один оборот для вашего шагового двигателя, потому что только тогда вы можете эффективно его запрограммировать.

В Arduino для управления двигателем мы будем использовать 4-шаговую последовательность, поэтому угол шага будет составлять 11.25°. Поскольку изначально он равен 5.625°(приведен в даташите), то для 8 шаговой последовательности получим 11.25° (5.625*2=11.25).

Справедлива следующая формула:

Количество шагов за оборот = 360 / угол шага.

В нашем случае 360/11.25 = 32 шага за оборот.

Зачем нужен драйвер мотора для управления шаговым двигателем

Большинство шаговых двигателей будут работать только с помощью модуля драйвера мотора. Это связано с тем, что микроконтроллер (в нашем случае плата Arduino) не может обеспечить достаточный ток на своих контактах ввода/вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний драйвер мотора для управления нашим шаговым двигателем — модуль ULN2003 (купить на AliExpress). В сети интернет можно найти рейтинги эффективности различных драйверов мотора, но эти рейтинги будут меняться в зависимости от типа используемого шагового двигателя. Основной принцип, которого следует придерживаться при выборе драйвера мотора – он должен обеспечивать достаточный ток для управления шаговым двигателем.

Оправдывая добавленную стоимость

Дополнительный узел или достижение в разработке означают превышение первоначальной стоимости. Это тот случай, когда небольшое превышение стоимости оправдывается значительным экономическим эффектом.

„Даже при добавленной стоимости устройств обратной связи шаговые двигатели остаются экономически эффективными по сравнению с другими технологиями управления движением в замкнутом контуре, – поясняет Пеарент. – Дополнительная стоимость устройства обратной связи оправдывается гарантией точных результатов. Одна ошибка в важном приложении может стоить столько же, сколько все устройство обратной связи“. Энкодер или датчик углового положения представляют собой честное „страхование“, которое дает уверенность в том, что шаговые двигатели находятся в нужной позиции.

По мнению Baldor, замыкание контура ведет к увеличению точности деталей и повышению качества, так как позволяет сравнивать измеренную позицию с требуемой позицией автомата или системы перемещения. „Если обнаруживается расхождение, принимаются определенные меры, чтобы компенсировать пропущенные шаги двигателя“, – говорит Мазуркевич. Цена и польза, получаемая от устройства обратной связи и использования замкнутого контура, были бы оправданы применением. Далее он отмечает: „Дополнительная стоимость находится в зависимости от требуемых характеристик механизма, его производительности, точности позиционирования и требуемого качества деталей“.

Стоимость материалов в управляемом процессе также влияет на определение цены. Вейлвендер из компании Parker поясняет: „Шаговые двигатели часто используются с очень дорогими материалами – от электронных узлов до образцов ДНК. Возможность неудачи оправдывает дополнительную стоимость обратной связи“. В Parker считают, что для совершенствования управления шаговыми двигателями при снижении затрат выгоды от внедрения технологий „без датчиков“ можно сравнить с технологиями применения обратной связи на основе датчиков. Вейлвендер также отмечает, что „развивается новое поколение цифрового управления шаговыми двигателями, где будет меньше использоваться обратная связь на основе внешних датчиков, что послужит дополнительной экономии в машиностроении“.

Читать еще:  Двигатель xu7jp4 технические характеристики

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).

Вопрос: Какие бывают проблемы с шаговыми двигателями?

Решение: Это наиболее распространенных проблем и одна из самых трудных для обнаружения. Начните с проверки контактов, чтобы убедиться, что все соединения между шаговым двигателем и драйвером и контроллером изолированы должным образом и не имеют ненадежного контакта. Если на клеммниках есть гуталинчик, то нормально протяните соединение и используйте кабельные гильзы. При замене шагового двигателя, шагового драйвера или пакета драйверов или контроллера в системе управления движением обязательно проверьте все клеммные колодки и разъемы.

Решение: Проверьте, не слишком ли длинны провода/кабели. Для случаев, где расстояние от шагового двигателя до шагового драйвера превышает 7,5 метров, то стоит проверить, не решили ли Вы, что сечения проводов, выходящих из двигателя будет достаточно на такой длине провода. Хлыст проводов, установленный на заводе не предполагает, что Вы будете использовать магистрали длиннее 7,5 метров. Еще один вариант — старый двигатель. Отнюдь даже ШД не вечны, со временем намагниченность ротора падает, что приводит к падению момента. Также, намагниченность падает каждый раз, когда Вы вскрываете двигатель.

Решение: в 50% случаев — меняйте драйвер, в 30% случаев — наука о контактах и изломах в проводах, в 15% случаев — меняйте шаговый привод, в 5% случаев — включите тумблер.

Решение: Если драйвер достаточно качественный, то пару раз он Вам это простит, но в большинстве случаев это смерть драйвера.

Решение: Замена двигателя, перемотка до типоразмера NEMA 42 экономически не целесообразна.

Решение: Шаговый двигатель, приводимый в действие внешней нагрузкой, создает обратное напряжение ЭДС на драйвере. Более высокие скорости приведут к более высоким уровням напряжения. Если скорость вращения становится чрезмерно высокой, это напряжение может привести к повреждению драйвера. Это особенно опасно, когда двигатель приводится в движение внешней силой, когда драйвер все еще включен.

Решение: 90% случаев обрыв одного фазного провода или неустойчивый контакт на нем. Были случаи, когда один такой двигатель заставляет танцевать и все остальные, установленные на оборудовании.

Принцип работы шагового двигателя

В зависимости от конструкции, сегодня применяются три вида шаговых двигателей: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели. У двигателей с постоянным магнитом число шагов на один оборот вала доходит до 48, то есть один шаг соответствует повороту вала на 7,5°. Гибридные двигатели обеспечивают не меньше 400 шагов на один оборот (угол шага 0,9°).

Читать еще:  Шумно работает двигатель пежо 406

Фото. Устройство шагового мотора в разрезе

Подсчитав количество сделанных шагов, можно определить точный угол поворота ротора. Таким образом, шаговый двигатель является сегодня идеальным приводом в 3D принтерах, станках с ЧПУ и в другом промышленном оборудовании. Это лишь краткий обзор устройства и принципа работы stepper motor, нас больше интересует, как осуществляется управление шаговым двигателем с помощью Ардуино.

Пример использования

В качестве примера создадим проект управления шаговым двигателем кнопками, подключенными к плате Arduino.

Будем использовать следующие компоненты:

  • Плата Arduino Uno – 1
  • Шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером – 1
  • Резистор 10 кОм – 3
  • Кнопка – 3
  • Провода

Схема соединения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема соединений

Реакция на нажатие кнопок:

  • кнопка 3 – движение двигателя по часовой стрелке;
  • кнопка 1 – против часовой стрелки;
  • кнопка 2 – останов.

Скетч показан в листинге 3.

Загружаем скетч на плату Arduino и проверяем работу.

Рисунок 7. Схема в сборе.

Рисунок 8. Вывод данных в последовательный порт.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector