Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Общие сведения:

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

• Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
• Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
• Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

• Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
• Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
• 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим — ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
• Полушаговый режим — ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
• Микрошаговый режим — ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления — доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

• Биполярный двигатель можно подключить только к драйверу биполярных двигателей.
• 6-выводной двигатель можно подключить к любому драйверу. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток внутри двигателя, последовательно или параллельно.
• Униполярный двигатель, при необходимости, можно подключить и к драйверу биполярного двигателя по простой схеме из нескольких диодов (лучше использовать диоды Шоттки), но такое подключение гарантирует корректность работы униполярного двигателя только в полношаговом режиме.

Управление шаговым двигателем с помощью Arduino и драйвера A4988

Если вы планируете создать свой собственный 3D-принтер или станок с ЧПУ, вам нужно будет управлять несколькими шаговыми двигателями. Если использовать для этого только Arduino, то большая часть скетча будет занята кодом управления шаговыми двигателями и не останется много места для чего-то еще.

Данную проблему можно решить, использовав специальный автономный драйвер шагового двигателя — A4988 .

Модуль A4988 может контролировать как скорость, так и направление вращения биполярного шагового двигателя, такого как NEMA 17, использую всего два вывода контроллера.

Шаговые двигатели используют зубчатое колесо и электромагниты (катушки), позволяющие вращать ось по одному шагу за раз.

Драйвер двигателя посылает высокий импульс на соответствующую катушку, которая в свою очередь притягивает ближайший зуб зубчатого колеса, в результате чего ось двигателя проворачивается на определенный градус (шаг).

От характера управляющих импульсов зависит поведение шагового двигателя, а именно:

• Последовательность импульсов определяет направление вращения двигателя.
• Частота импульсов определяет скорость двигателя.
• Количество импульсов определяет угол поворота.

Микросхема драйвера шагового двигателя A4988

Модуль собран на чипе A4988. Не смотря на свой малый размер (всего 0,8 ″ × 0,6 ″), но обладает хорошими характеристиками.

Драйвер шагового двигателя A4988 имеет высокую выходную мощность (до 35 В и 2 А) и позволяет управлять одним биполярным шаговым двигателем с выходным током до 2 А на катушку, например NEMA 17.

Для удобства работы драйвер имеет встроенный транслятор. Использование транслятора позволило уменьшить количество управляющих контактов до 2, один для управления шагами, а другой для управления направлением вращения.

Драйвер предлагает 5 различных разрешений шага, а именно:

Распиновка драйвера A4988

Драйвер A4988 имеет всего 16 контактов, которые связывают его с внешним миром. Распиновка у A4988 следующая:

Давайте ознакомимся со всеми контактами по очереди.

Выводы питания

На самом деле A4988 требует подключения двух источников питания.

VDD и GND используется для управления внутренней логической схемой. Напряжение питания должно находиться в пределах от 3 до 5,5 В.

Vmot и GND для обеспечения питания шагового двигателя. Тут напряжение в пределах от 8 до 35 В.

Согласно datasheet, для питания двигателя требуется соответствующий разделительный конденсатор рядом с платой, способный выдерживать ток 4 А.

Этот драйвер имеет на плате керамические конденсаторы с низким ESR , что делает его уязвимым для скачков напряжения. В некоторых случаях эти выбросы могут превышать 35 В (максимальное номинальное напряжение A4988), и это может потенциально необратимо повредить плату и даже двигатель.

Один из способов защитить драйвер от таких скачков — подключить электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ (или как минимум 47 мкФ) к контактам источника питания двигателя.

Выводы выбора микрошага

Драйвер A4988 допускает использование режима микрошага. Это достигается за счет подачи питания на катушки с промежуточными уровнями тока.

Например, если вы решите управлять шаговым двигателем NEMA 17 с шагом 1,8 градуса (200 шагов на оборот) в режиме 1/4 шага, то двигатель будет выдавать 800 микрошагов на оборот.

Драйвер A4988 имеет три вывода селектора размера шага (разрешения), а именно: MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни на эти контакты, мы можем настроить двигатели на одно из пяти ступенчатых разрешений.

По умолчанию эти три контакта подтянуты к земле внутренним резисторам. Если мы оставим эти выводы не подключенными, то двигатель будет работать в режиме полного шага.

Выводы управления

Драйвер A4988 имеет два управляющих входа, а именно: STEP и DIR.

STEP — управляет микрошагом мотора. Каждый высокий импульс, отправляемый на этот вывод, приводит двигатель в действие на количество микрошагов, заданное выводами Microstep Selection (MS1, MS2 и MS3). Чем быстрее импульсы, тем быстрее будет вращаться двигатель.

DIR — управляет направлением вращения двигателя. Если на него подать высокий уровень, то двигатель будет вращается по часовой стрелке, а если низкий — против часовой стрелки.

Если вы просто хотите, чтобы двигатель вращался только в одном направлении, то вы можете соединить вывод DIR непосредственно с VCC или GND соответственно.

Выводы STEP и DIR не подтянуты внутренними резисторами, поэтому вы не должны оставлять их не подключенными.

Выводы управления питанием A4988

A4988 имеет три различных вывода для управления состоянием питания, а именно. EN, RST и SLP.

EN — вывод включения (0)/ выключения (1) драйвера A4988. По умолчанию на этом выводе установлен низкий уровень, поэтому драйвер всегда включен.

SLP — подача на данный вывод сигнала низкого уровня переводит драйвер в спящий режим, сводя к минимуму потребление энергии. Вы можете использовать это для экономии энергии.

RST — при подаче сигнала низкого уровня все входные данные STEP игнорируются, до тех пор пока не будет установлен высокий уровень. Низкий уровень также сбрасывает драйвер, устанавливая внутренний транслятор в предопределенное состояние Home. Исходное состояние — это в основном начальное положение, с которого запускается двигатель, и оно различается в зависимости от разрешения микрошага.

Если вам не нужно использовать вывод RST, вы можете подключить его к соседнему контакту SLP / SLEEP, чтобы вывести его на высокий уровень и включить драйвер.

Выводы для подключения шагового двигателя

Выходные контакты: 1B, 1A, 2A и 2B.

К этим выводам можно подключить любой биполярный шаговый двигатель с напряжением питания от 8 до 35 В.

Каждый выходной контакт модуля может обеспечить ток до 2 А. Однако величина тока, подаваемого на двигатель, зависит от источника питания системы, системы охлаждения и настройки ограничения тока.

Система охлаждения — радиатор

Чрезмерное рассеивание мощности микросхемы драйвера A4988 приводит к повышению температуры, которая может выйти за пределы возможностей микросхемы, что, вероятно, приведет к ее повреждению.

Даже если микросхема драйвера A4988 имеет максимальный номинальный ток 2 А на катушку, микросхема может подавать только около 1 А на катушку без перегрева.

Для достижения более 1 А на катушку требуется радиатор или другой метод охлаждения.

Драйвер A4988 обычно поставляется с радиатором. Желательно установить его перед использованием драйвера.

Ограничение тока

Перед использованием драйвера нам нужно сделать небольшую настройку. Нам нужно ограничить максимальный ток, протекающий через катушки шагового двигателя, и предотвратить превышение номинального тока двигателя.

На драйвере A4988 есть небольшой потенциометр, который можно использовать для установки ограничения тока. Вы должны установить ограничение по току равным или ниже номинального тока двигателя.

Для этого есть два метода:

Способ 1:

В данном случае мы собираемся установить ограничение тока путем измерения напряжения (Vref) на выводе «ref».

1. Взгляните на техническое описание вашего шагового двигателя. Запишите его номинальный ток. В нашем случае мы используем NEMA 17 200 шагов/об, 12 В 350 мА.
2. Переведите драйвер в полношаговый режим, оставив три контакта выбора микрошага отключенными.
3. Удерживайте двигатель в фиксированном положении, не синхронизируя вход STEP.
4. Во время регулировки измерьте напряжение Vref (один щуп мультиметра на минус питания, а другой к металлическому корпусу потенциометра).
5. Отрегулируйте напряжение Vref по формуле:

ограничение тока = Vref x 2,5

Например, если ваш двигатель рассчитан на 350mA, вы должны установить опорное напряжение 0,14В.

Способ 2:

В данном случае мы собираемся установить ограничение тока, измеряя ток, протекающий через катушку двигателя.

1. Взгляните на техническое описание вашего шагового двигателя. Запишите его номинальный ток. В нашем случае мы используем NEMA 17 200 шагов / оборот, 12 В 350 мА.
2. Переведите драйвер в полношаговый режим, оставив три контакта выбора микрошага отключенными.
3. Удерживайте двигатель в фиксированном положении, не синхронизируя вход STEP. Не оставляйте вход STEP висящим в воздухе, подключите его к источнику питания логики (5 В)
4. Подключите амперметр последовательно с одной из катушек шагового двигателя и измерьте фактический ток.
5. Возьмите небольшую отвертку и отрегулируйте потенциометр ограничения тока, пока не установите номинальный ток шагового двигателя.

Подключение драйвера шагового двигателя A4988 к Arduino UNO

Теперь, когда мы имеем всю необходимую информацию о драйвере A4988, мы можем перейти к подключению его к нашей Arduino Uno .

Подключения довольно простое. Начните с подключения VDD и GND (рядом с VDD) к контактам 5V и минус на Arduino. Входные контакты DIR и STEP подключите к цифровым контактам №2 и №3 на Arduino соответственно. Шаговый двигатель подключите к контактам 2B, 2A, 1A и 1B.

Подключение или отключение шагового двигателя при включенном драйвере может привести к его повреждению.

Затем подключите вывод RST к соседнему выводу SLP/SLEEP, чтобы драйвер оставался включенным. Также держите контакты выбора микрошага отключенными, чтобы двигатель работал в полношаговом режиме.

Наконец, подключите источник питания двигателя к контактам VMOT и GND. Не забудьте установить большой развязывающий электролитический конденсатор 100 мкФ на контакты источника питания двигателя, рядом с платой.

Код Arduino — простой пример

Следующий скетч даст вам полное представление о том, как управлять скоростью и направлением вращения биполярного шагового двигателя с помощью драйвера шагового двигателя A4988, и может служить основой для более практических экспериментов и проектов.

Пояснение к скетчу:

Скетч начинается с определения выводов Arduino, к которым подключены выводы STEP и DIR A4988. Мы также определяем stepsPerRevolution. Установите его в соответствии со спецификациями шагового двигателя.

В разделе setup() кода все контакты управления двигателем объявлены как цифровой выход.

В цикле loop() мы медленно вращаем двигатель по часовой стрелке, а затем быстро вращаем его против часовой стрелки с интервалом в секунду.

Управление направлением вращения: для управления направлением вращения двигателя мы устанавливаем вывод DIR в высокое или низкое положение. Сигнал высокого уровня вращает двигатель по часовой стрелке, а низкого — против часовой стрелки.

Скорость двигателя определяется частотой импульсов, которые мы посылаем на вывод STEP. Чем чаще импульсы, тем быстрее вращается двигатель. Импульсы — это не что иное, как установка высокого уровня, некоторое ожидание, затем установка низкого уровня и снова ожидание. Изменяя задержку между двумя импульсами, вы изменяете частоту этих импульсов и, следовательно, скорость двигателя.

Скетч Arduino — использование библиотеки AccelStepper

Управление шаговым двигателем без библиотеки идеально подходит для простых приложений с одним двигателем. Но если вы хотите управлять несколькими шаговыми двигателями, то вам понадобится библиотека.

Итак, для нашего следующего эксперимента мы будем использовать расширенную библиотеку шаговых двигателей под названием AccelStepper library. Она поддерживает:

• Ускорение и замедление.
• Одновременное управление несколькими шаговыми двигателями с независимым шагом для каждого двигателя.

Эта библиотека не включена в IDE Arduino, поэтому вам необходимо сначала установить ее.

Установка библиотеки

Чтобы установить библиотеку, перейдите в Эскиз> Include Library> Manage Libraries… Подождите, пока диспетчер библиотек загрузит индекс библиотек и обновит список установленных библиотек.

Отфильтруйте результаты поиска, набрав «Accelstepper». Щелкните первую запись и выберите «Установить».

Скетч Arduino

Вот простой код, который ускоряет шаговый двигатель в одном направлении, а затем замедляется, чтобы остановиться. Как только двигатель совершает один оборот, он меняет направление вращения. И он повторяет это снова и снова.

Пояснение к скетчу:

Мы начинаем с подключения недавно установленной библиотеки AccelStepper.

Определяем выводы Arduino, к которым подключаются выводы STEP и DIR A4988. Устанавливаем motorInterfaceType значение 1. (1 означает внешний шаговый драйвер с выводами Step и Direction).

Затем мы создаем экземпляр библиотеки с именем myStepper.

В функции setup() мы сначала устанавливаем максимальную скорость двигателя 1000. Затем мы устанавливаем коэффициент ускорения для двигателя, чтобы добавить ускорение и замедление к движениям шагового двигателя.

Затем мы устанавливаем обычную скорость 200 и количество шагов, например, 200 (поскольку NEMA 17 совершает 200 шагов за оборот).

В функции loop() мы используем оператор If, чтобы проверить, как далеко двигателю нужно проехать (путем чтения distanceToGo), пока он не достигнет целевой позиции (moveTo). Как только distanceToGo станет равен нулю мы переключаем двигатель в противоположное направление, изменив moveTo на противоположное значение относительно его текущего положения.

Теперь в конце цикла мы вызываем функцию run(). Это самая важная функция, поскольку шаговый двигатель не будет работать, пока эта функция не будет выполнена.