Управление шаговым двигателем своими руками. Шаговый двигатель

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.

Принцип работы шагового электродвигателя

На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
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.
Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
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.

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.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

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.

Типы и конструктивные особенности

Сегодня применяется несколько видов ШД, отличающихся по конструкции, типу обмоток, особенностям управления и иным параметрам. Рассмотрим каждую классификацию более подробно.

По конструкции ротора

Многие характеристики двигателя, касающиеся скорости вращения и режима работы, зависят от ротора.

С этой позиции выделяется три вида устройства.

Реактивный (синхронный). Особенность — отсутствие роторного магнита. Конструктивно изготавливается из специальных сплавов, позволяющих снизить индуктивные потери. Устройство имеет вид шестеренки с зубцами, а на полюсах статора подается напряжение со второй пары. Как результат, создается магнитная сила для перемещения ротора. По принципу действия реактивный шаговый агрегат имеет много общего с синхронным мотором, где поля ротора и статора вращаются в одном направлении.

Двигатель с магнитами. В отличие от прошлого устройства подвижный элемент комплектуется постоянным магнитом с двумя и более полюсами. Ротор крутится, благодаря притягиванию и отталкиванию полюсов с помощью электрического поля в момент подачи разницы потенциалов на определенные обмотки.
Смешанные. В гибридных устройствах совмещаются лучшие качества магнитных и реактивных моторов. В отличие от прошлых моделей угол и шаг здесь меньше. Конструктивно ротор оборудован постоянным магнитом, имеющим цилиндрическую форму. Внешне он имеет вид двух полюсов с круглым сечением, на поверхности которых находятся роторные зубцы. Такая особенность гарантирует хороший момент вращения и удерживания. Главные плюсы — максимальная плавность, точность и скорость перемещения.

По типу обмоток

Плавность функционирования шагового двигателя находится в прямой зависимости от числа обмоток, поэтому на этот фактор важно обращать особое внимание.

Многие ошибочно считают, что количество обмоток зависит от числа фаз. Это не так, ведь даже 2-фазный мотор может иметь четыре и более обмотки.

Шаговые двигатели бывают:

Униполярными. Особенность — наличие отпайки из средней точки, что позволяет с легкостью менять полюса. Минус состоит в применении части витков, поэтому уменьшается момент вращения. Для повышения мощности средний вывод подключать не рекомендуется. Конструктивно униполярные устройства содержат пять и шесть выводов.
Читайте также: Сколько километров нужно проехать, чтобы зарядился аккумулятор
Биполярный. К этой группе относится шаговый двигатель, подключаемый к контроллеру через четыре отпайки. Обмотки могут объединятся в параллель или последовательно. Для изменения направления тока применяются так называемые чипы, обеспечивающие ручное управление. Достижение такого эффекта доступно с помощью Н-моста. Если сравнивать с униполярным видом, биполярный тип гарантирует тот же момент, но при меньших размерах.

По типу управления

Для расширения функционала и удобства применения предусмотрена система управления.

Она бывает следующих типов.

Волновая: возбуждение только одной обмотки. Недостатком является минимально доступный момент.

Полношаговая: одновременное включение обмоток.

Полушаговая: делание геометрии шагового мотора пополам. Обеспечивается увеличенное разрешение при позиционировании вала агрегата.

По типу

При выборе шаговых двигателей нужно понимать, что они бывают нескольких типов.

Кратко рассмотрим их особенности:

Биполярные двигатели — двухфазные с угловым перемещением в 0,9 или 1,8 градуса. Разработчики гарантируют высокую точность шага без нагрузки величиной до 5%.
С энкодером (часто называются гибридными серводвигателями). Особенность состоит в наличии инкрементального энкодера. Моторы объединяют лучшие качества серво- и шаговых электрических моторов, а цена таких устройств меньше в сравнении с сервосистемой. Применяются в комплексе с контроллером.
Линейные (актуаторы). Принцип действия построен на преобразовании вращательного движения в линейное. Иными словами, в них сочетается винтовая передача и ШД, объединенные в общем блоке.
Шаговые двигатели с редуктором. Применяются в ситуации, когда необходимо получить максимальное усилие на валу электрического привода с минимальной скоростью вращения. В роли редуктора используется планетарный тип, оборудованный прямозубыми шестеренками с небольшим люфтом передачи.

На рынке представлен большой выбор устройств, имеющих индивидуальные характеристики и подходящих для определенных сфер деятельности. Эти моменты необходимо учитывать при выборе модели.

Замкнутые и разомкнутые системы

Системы позиционирования оси позволяют интеллектуальным контроллерам позиционировать оборудование с исключительной точностью. Выдается команда на перемещение в желаемую точку в трехмерном пространстве и машина реагирует очень быстро и точно.

Системы позиционирования обычно используют один из двух способов: системы с замкнутым и разомкнутым контуром. Так в чем же разница между этими двумя подходами к позиционированию?

В системах с замкнутым контуром обычно используются серводвигатели для управления скоростью и положением движущейся оси. Серводвигатели работают так же, как и любой обычный двигатель, когда на них подается питание, они вращаются. Это вращение принимает непрерывное плавное движение. Задача серводвигателя — не только приводить двигатель в действие, но и точно контролировать скорость.

Наряду со скоростью в замкнутой системе также требуется обратная связь по положению. Обычно это обеспечивается энкодером или линейной шкалой. Позиционная обратная связь с контроллером машины позволяет ему быстро двигаться к заданному месту, а затем плавно замедляться, чтобы остановиться на цели.

В системах с разомкнутым контуром нет устройства обратной связи для контроля скорости или положения. Вместо этого расстояние, которое необходимо преодолеть от текущего местоположения, делится системой управления машиной на несколько точных шагов определенного размера. Система управления также определяет оптимальную кривую скорости системы на основе предварительно определенных параметров. Затем команды поступают на шаговый двигатель в виде импульсов. Работа драйвера шагового двигателя заключается в преобразовании командных импульсов в фактические шаги привода двигателя далее шаговые двигатели продвигаются по этим шагам, достигая желаемого результата.

↑ Двигатель (мотор)

В качестве двигателя для привода определил шаговый двигатель (ШД) Почему шаговый? Что это вообще такое? Двигатели есть переменного и постоянного тока, коллекторные и бесколлекторные, и так называемые «шаговые». В любом случае нам надо обеспечить какую-то точность позиционирования, например 0,01 мм. Как это сделать? Если двигатель имеет прямой привод — вал двигателя соединяют напрямую с винтом, то для обеспечения такой точности нужно повернуть его на некоторый угол. В данном случае, при шаге передачи 4 мм и желаемой точности перемещения 0,01 мм это… всего 1/400 оборота, или 360/400=0,9 градуса! Ерунда, возьмем обычный моторчик…
С «обычным» моторчиком без обратной связи никак не получится. Не вдаваясь в подробности, схема управления двигателем должна «знать», на какой угол повернулась ось. Можно конечно поставить редуктор — потеряем в скорости, и все равно без гарантии, без обратной связи вообще никак! На ось ставится датчик угла поворота. Такое решение надежное, но дорогое.

Альтернатива — шаговый двигатель (как он работает, почитайте сами). Можно считать, что за одну «команду» он повернет свою ось на определенный градус, обычно это 1,8 или 0,9 градуса (точность обычно не хуже 5%) — как раз то, что нужно. Недостаток такого решения — при большой нагрузке двигатель будет пропускать команды — «шаги» и может вообще остановиться. Вопрос решается установкой заведомо мощного двигателя. На шаговых двигателях и делается большинство любительских станочков.

Какие драйвера для шаговых двигателей 3D принтера можно купить?

1. TMC2208, TMC2130, TMC2100. Выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, пиковый выходной ток 2,5А. Напряжения питания силовой части: 4.75 — 36 В. Дробление шага: 1/2, 1/4, ⅛ и 1/16 с возможностью интерполяции до 1/256. Он используется для снижения уровня шума при работе с 8-битными микроконтроллерами. Может применяться в устройствах с маломощными режимами работы, а так же в оборудовании, где востребована высокая энергетическая эффективность моторов. TMC2208 построен на микросхеме от Trinamic и способен выдавать до 2.5 А на обмотку, чего достаточно для использования в 3D принтерах и ЧПУ. При этом решается проблема шумности работы шаговых двигателей за счёт эффективных алгоритмов формирования управляющих импульсов(StealthChop2™) и управления током.

Тихие драйверы, рекомендуем ставить именно их. Стоит дороже остальных около 15 $.

2. A4988 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, без охлаждения – до 1 А. Напряжения питания силовой части: 8-35 В. Преимущества драйвера А4988 – наличие защиты от перегрузок и перегрева, возможность регулировки тока и несколько вариантов микрошага. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. На 9В значительно тише, чем на 12В, без потери крутящего момента. Резкое усиление звука происходит с 11В до 12В. Стоимость около 6 $.

Советуем к прочтению: Что такое конденсатор и для чего он нужен?

4. DRV8825 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А. Напряжения питания силовой части: 8-45 В. Электрическая и механическая совместимость с драйвером A4988. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. По отзывам имеют конструктивный недостаток, что выражения в появлении дефектов на поверхности отпечатка в виде вертикальных полос(полосы зебры). Недостаток можно устранить установив TL-Smoother, но гораздо рентабельнее будет купить вместо них TMC2208. Стоимость около 6 $.

Эксперимент №2. TMC2208 + ATtiny44

TMC2208 — название микросхемы-драйвера для управления биполярными шаговыми двигателями, аналогично называется модуль на её основе, который выпускается для установки в самодельные (и не только) 3D принтеры и имеет унифицированное расположение выводов. Много и доходчиво сказано про этот модуль вот здесь.
В интернете много написано про то, как установить его в свой 3D принтер, но нас интересует как подключить модуль к микроконтроллеру, потому давайте разбираться.

Характеристики микросхемы впечатляют (только впечатлительных людей):

напряжение питания логической части: 3-5В;
напряжение питания двигателя 5.5-36В;
пиковый ток 2А;
настройка максимального тока двигателя;
поддержка интерфейса UART как для управления, так и для конфигурирования внутренних регистров;
автоматическое отключение питания;
поддержка микрошагового режима управления двигателем вплоть до 1/16 шага.

Управлять ей очень просто, по сути нужно всего два пина микроконтроллера. Один подключаем к DIR — указываем направление вращения двигателя, другой подключаем к STEP — при подаче импульса микросхема производит необходимые манипуляции с токами и напряжениями на обмотках двигателя и тот делает один шаг.

Схема подключения будет выглядеть так:

Дополнительно я использовал пин EN, чтобы отключать моторчик и длительное время не держать обмотки под напряжением.

Исходный код в среде WinAVR

#define F_CPU 8000000UL // указываем частоту в герцах // фьюзы необходимо выставить L: E2; H:DF; Ex:FF; // это будет частота 8МГц от внутреннего генератора с выключенным предделителем тактовый частоты (включен по умолчанию и равен #include // подключаем библиотеку АВР #include // подключаем библиотеку задержек #include // подключаем библиотеку прерываний // управление штатным светодиодом #define LED_pin PA5 #define LED_ON PORTA |=(1<<<<<

< <<0) { // пока не сделали нужное количество шагов STP_ON; // делаем один шаг delay_microsecond(100); // длительность импульса 100мкС STP_OFF; delay_millisecond(step_delay);// пауза между импульсами step_quantity—; } } int main (void) { DDRA |=(1<< <<

Перед тем как всё запустить нужно произвести предварительную настройку модуля. Во-первых, выставить желаемый режим микрошага. Во-вторых, выставить желаемый максимальный ток двигателя.

С микрошагом всё просто. За это отвечают пины MS1 и MS2.

Отмечу, что микросхема не скачкообразно меняет напряжение, а делает это «плавно», но так как микросхема цифровая, то на выходе у нас не гладкий сигнал, а сигнал с маленьким шагом, если верить документации, то каждый шаг она разбивает на 256 микрошагов. Сделано это для увеличения плавности хода, снижения шумов от двигателя и по идее не должно позволять конструкции, к которой он прикручен, входить в резонанс. Короче, всё для того, чтобы 3D принтер работал тише.

Чтобы выставить ток двигателя необходимо измерить напряжения на контакте Vref, который указан на рисунке. Изменить значение напряжения можно при помощи потенциометра, установленного рядом с контактом. Напряжение на контакте будет пропорционально току двигателя, и зависимость будет иметь следующий вид:

Vref = I*1.44;

Нашему моторчику нужно примерно 150мА, потому Vref = 0,216В

. Устанавливаем…

Подразумевается, что увеличение тока микросхема обеспечивает за счёт увеличения напряжения на обмотке. Потому, нужно позаботиться о том, чтобы этого напряжения хватило. Но, полагаю, для того маленького моторчика должно хватить и 5В.

Протестируем работу моторчика с различными режимами микрошага и посмотрим что получится (пауза между микрошагами 10мс):

Можно заметить, что движения моторчика стали более плавными (по сравнению с предыдущим экспериментом), однако характерные 16 шагов всё равно наблюдаются довольно чётко. Что же… видимо это черта
шаговых двигателей с ротором из постоянных магнитов
. Ещё необходимо отметить, что моторчик в этом режиме нагревается почти также сильно, как в полношаговом режиме с двумя фазами. Оно и понятно, обмотки постоянно находятся под напряжением, непрерывно происходит выделение тепла.

Полагаю, для таких моторчиков использование такого драйвера, да и вообще режимов микрошага не очень целесообразно.

Сглаживающее устройство TL-Smoother

Плата, которая соединяет шаговый драйвер и шаговый двигатель, уменьшая шум и вибрации на вашем 3D-принтере, снижая риск образования дефекта«полоса зебры».

Эта небольшая плата имеет восемь выпрямительных диодов, которые улучшают форму волны шагового двигателя, в частности, для более старых более дешевых шаговых драйверов, например DRV8825 и A4988. Улучшение формы волны снижает шум двигателя за счет уменьшения вибрации. Поскольку вибрации уменьшаются, качество печати также улучшается. Просто установите плату между драйвером и шаговым двигателем, ориентация не имеет значения. Для удобства в комплект входит небольшой 4-проводной разъем длиной 20 см, чтобы подключить плату к электронике. Стоимость около 7 $

Дефект полосы зебры или муар

Подключение шаговых двигателей

Выбор схемы подключения шагового двигателя зависит от:

количества проводов в приводе;
способа запуска механизма.

Существующие модели движков имеют 4, 5, 6 или 8 проводов. Прибор с четырьмя проводами можно подключать только к биполярным устройствам. Он оснащен двумя фазными обмотками, каждая из которых имеет два провода. Для пошагового подключения драйвера необходимо определить пары проводов с непрерывной связью с помощью метра.

В механизме с шестью проводами каждая обмотка имеет два провода и центральный кран. Движки этой модели характеризуются высокой мощностью и подключаются как к биполярным, так и к однополярным исполнительным устройствам.

В первом случае используется один центр-кран каждой обмотки и один конец провода.

Во втором случае используются все шесть проводов. Разделение провода осуществляется с помощью измерительного прибора.

Отличие пятипроводного мотора от шестипроводной модели заключается в том, что соединение центральных клемм представляет собой сплошной кабель, который выходит к центральному проводу.

Поскольку отделение одной обмотки от другой без разрывов не представляется возможным, необходимо определить центр провода, после чего соединять его с другими проводниками. Это будет самым безопасным и максимально эффективным решением. Затем движок подключается к сети и проводится проверка его работоспособности.

Для успешной эксплуатации механизма нужно иметь в виду следующие нюансы:

Номинальное напряжение производится первичной обмоткой при постоянном токе.
Изменение начальной скорости крутящего момента прямо пропорционально изменению тока.
Скорость понижения линейного момента на последующих высоких скоростях зависит от индуктивности обмоток и схемы привода.

Типичные схемы подключения ШД

Схема подключения 6-ти выводного шагового двигателя к драйверу GeckoDrive (биполярное последовательное подключение обмоток)

Схема подключения 8-ми выводного ШД с биполярным параллельным соединением обмоток к драйверу GeckoDrive

Схема подключения 8-ми выводного ШД с биполярным последовательным соединением обмоток к драйверу GeckoDrive

Управление шаговыми электродвигателями

Существуют три режима управления шаговым двигателем:

• полношаговый

• полушаговый

• микрошаговый.

Полношаговый режим управления

Первый способ был описан в примерах выше. Это попеременная коммутация фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза.

Способ называется на английском one phase on full step – одна фаза на полный шаг. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора. Недостатком этого режима является то, что в один и тот же момент используется половина обмоток для биполярного двигателя, и только четверть для униполярного.

Есть вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы. Называется two-phase-on full step – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки.

полушаговый режим

Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага. Этот способ позволяет от двигателя получить в два раза больше шагов на оборот ротора.

Каждый второй шаг включается одна фаза, а между ними — включаются сразу две.

В результате такой коммутации угловое перемещение шага уменьшается в два раза, или в два раза увеличивается число шагов. Полный момент получить в полушаговом режиме не удается.

Не смотря на это, полушаговый режим используется часто. Уж очень простыми методами он удваивает число шагов двигателя.

Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий.

микрошаговый режми

Чтобы зафиксировать положение ротора, необходимо формировать в обмотках двигателя ток удержания. Этот ток может быть значительно меньше номинального.

Способность шагового двигателя фиксировать свое положение при остановке позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п.

Управление безколлекторными шд

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.

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора.

Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Драйвер шарового двигателя своими руками

При желании драйвер для шарового двигателя можно сделать самостоятельно, но при условии покупки необходимого оборудования. Для начала определитесь, какой тип ЩД у вас в руках.

В биполярном устройстве всего две обмотки, поэтому количество отходящих проводов будет четыре. В униполярном двигателе обмоток больше, поэтому и количество выводов соответствующее.

Схема управления биполярным двигателем состоит из нескольких элементов:

Генератор импульсов.
Коммутатор.
Силовые ключи, управляющие обмотками моторов.

Генератор собирается на базе микросхемы 555 по обычной схеме. Каждый импульс, которые выдается генератором, обеспечивает перемещение мотора на один шаг.

Коммутатор собирается на базе микросхемы 4013, а силовая часть — L239D (микросхема-драйвер).

В роли источника питания применяется две батарейки, обеспечивающие напряжение, равное пяти вольтам. После включения питания генератор подает импульсы, частоту которых можно менять с помощью корректировки сопротивления генератора.

В зависимости от применяемой схемы можно использовать реверс или подключать ШД без него.

Для обеспечения реверса собирается такая же цепочка с той разницей, что на выходе из коммутатора можно будет менять полярность на обмотках. Иными словами, при изменении принципа подключения меняется и направление вращения.

В схеме с реверсом применяется два драйвера коллекторных двигателей FAN 8082. После включения ШД можно нажимать переключатель, чтобы вращение шло в другом направлении.

Схемы подключения.

Вместо генератора можно подключить тактовую кнопку, с помощью которой легко избежать дребезга контактных групп. При желании можно даже посчитать число шагов двигателя, если это необходимо.

Особенности первого драйвера L293D (для первой схемы):

Напряжение устройства от +5 до +15 В.
Размер платы 60х21 мм.
Максимальный ток 1,2 А, но на практике при токе больше 0,5 А схема начинает греться.
Объединяемые вывода — 4, 5, 12, 13.

Особенности второго драйвера FAN 8082 (для второй схемы):

Напряжение устройства от +5 до +15 В.
Максимальный ток — 1,6 А.

В отличие от прошлого устройства, этот тип драйвера лучше справляется с нагрузкой. При желании, как отмечалось выше, можно использовать гаситель дребезга контактов.

Контроллер управления шаговыми двигателями, сделанный своими руками

Задача проста: по готовой схеме и программе Павла Бахтинова с этого форума развести печатную плату, собрать и отладить контроллер управления шаговыми двигателями, установленными в монтировке астрономического телескопа. Далее, необходимо изготовить приличный корпус и пульт управления. Все начинается с деталек (сразу вспоминается закон Мерфи: «Ни один талант не смог пережить страсти к деталькам» ):

Работа над схемой:

Разводим печатную плату:

Фотошаблон готов:

Тут надо сказать несколько слов о моем НОУ-ХАУ в изготовлении фотошаблонов для перевода рисунка на печатную плату.

Обычно я их печатаю на принтере — чаще на струйном, реже на лазерном, т.к. термопленка давала непредсказуемую усадку после термообработки в лазернике (а шаблоны необходимы для двух сторон), поэтому невозможно было совместить два шаблона с достаточной точностью (до 0,15 мм).

Струйный принтер хорошо повторяет размеры, но не достаточно плотно заполняет черным цветом дорожки, кое-где они все же просвечиваются. Решение этой проблемы было вскоре найдено: печатаем не чистым черным, а чуть светлее в сторону желтого — принтер начинает добавлять к черной краске желтую (непрозрачную для УФ излучения) и дорожки, хотя и выглядят более прозрачными, после перевода фотоспособом получаются более плотные, практически без изьянов.

Советуем к прочтению: Мощность постоянного электрического тока

Главное — подобрать экспозицию:

Идет процесс травления печатной платы:

Протравлена полностью:

Сверлим отверстия диаметром от 0.7мм до 1.5мм самодельным сверлильным станком:

Паяльник старенький да удаленький:

Забиваем плату деталями:

Все детали запаяны:

Обратная сторона платы, начался процесс отладки:

Вот так будем ставить нагревающиеся элементы (те, что выше на рисунке с этой стороны платы стоят — интегральный стабилизатор и две микросхемы — драйверы моторов) вот на такие красивые радиаторы:

В данное время началась работа над пультом. Главное в пульте управления, считаю — эргономика, насколько только это уместно применить к той коробочке, которая получится после сборки на отечественных БОЛЬШИХ, но надежных микрокнопках.

Что такое многоосевые контроллеры

Простыми словами, многоосевые контроллеры — современные устройства с вмонтированными микропроцессорами и интегральной программируемой схемой.

Отличаются небольшими размерами и простой управления. Применяются для точного позиционирования агрегатов по двум и более осям.

Главная сфера применения — автоматизация станочного шагового двигателя, оборудованного многоординатными электрическими приводами. Их особенность состоит в поддержке нескольких языков и способности управления в режиме онлайн.

Особенности контроллеров:

изолированные цифровые входа/выхода;
высокий уровень производительности;
поддержка ведомых/ведущих устройств;
опция удаленного управления контроллером;
поддержка интерполяции (круговой, линейной);
большой набор цифровых и аналоговых входов/выходов, портов Интернет и ШИМ выходов.

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.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
Сложности управления из-за особенности схемы

Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме

РадиоКот >Схемы >Цифровые устройства >Защита и контроль >

Теги статьи:

Добавить тег

4-х осевой Step/Dir контроллер шаговых двигателей

Автор: Роман Лут Опубликовано 06.09.2013 Создано при помощи КотоРед. Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2013!»

В статье описывается step/dir контроллер униполярных шаговых двигателей. Контроллер используется для управления
самодельным сверлильно-фрезерным станком. Предполагается, что читатель уже знаком с самодельными ЧПУ cтанками; иначе рекомендуется изучить материалы, указанные в конце статьи.
Введение

Контроллер разрабатывался взамен имеющегося примитивного 3-х осевого контроллера(на ATTiny2313). Основными требованиями были поддержка микрошага и аппаратный контроль тока в обмотках с целью снижения шума и повышения скорости перемещения.

Характеристики контроллера:

— 4 оси; — для униполярных двигателей; — аппаратный контроль тока в обмотках (ШИМ); — опторазвязка с LPT портом; — режим удержания с понижением тока до указанного значения; — full step, half step, 4, 8,16 microstep выбирается отдельно для каждой оси; — максимальная частота следования импульсов step: 12.5 кГц (период — 80мкс); — минимальная длина step и dir импульса: 5мкс; — ток двигателей — до 2А, индивидуально для каждой оси ( больше 2А не проверялось, схема позволяет); — питание двигателей — до 30В, с возможностью увеличения ( больше 19В не проверялось ).

В общем целом, получился достаточно “навороченный” контроллер на дешёвых распространённых компонентах. Ни один из известных мне самодельных контроллеров таким набором возможностей не обладает.

Управляющий модуль

Управляющий модуль выполнен на микроконтроллере ATMega8535, работающем на частоте 16МГц. Задача контроллера — обрабатывать входные сигналы Step/Dir и выдавать сигналы включения и опорные напряжения для силовой части схемы.

Опорные напряжения формируются микросхемой M62359 — это 8-бит 8-канальный DAC с SPI интерфейсом. Опторазвязка выполнена на оптронах PC817 и является неотъемлемой частью контроллера. На этот моменте нужно остановиться отдельно.

Как видно из схемы, в отличие от аналогичных контроллеров, сигналы Step не подключены к выводам микроконтроллера, которые вызывают аппаратные прерывания. Вместо этого контроллер «крутится» в бесконечном цикле, проверяя, не изменились ли логические уровни на входах. Это обеспечивает стабильную предсказуемую работу контроллера.

Один цикл ( проверка входов, реакция, вывод управляющих сигналов ) занимает в текущей реализации ~26мкс. При этом заявленная минимальная длина импульса Step — 5мкс. Каким же образом контроллер не пропускает импульсы?

Это, так сказать, моё ноу-хау Секрет — в свойствах оптронов.

В даташите на PC817 можно найти графики Response time. После исчезновения сигнала на входе, оптрону требуется определённое время (ts + tf), чтобы закрыться. Это время зависит от тока, который протекает через фототранзистор.

На практике это выглядит так: Входные импульсы — 5мкс, период — 80мкс:

Нагрузочный резистор 10кОм на 5В — и входной импульс 5мкс превращается в ~28мкс (область уверенного чтения входа AVR как “0” — 0.8Vcc = 1V ):

Таким образом, у микроконтроллера есть, по крайней мере, 28мкс на опрос входов. В результате он в одиночку может управлять сразу 4-мя осями.

Силовая часть

Четыре платы силовой части полностью идентичны и собраны на микросхемах UC3842 и транзисторах IRFZ44 или IRF560 (транзисторы расположены на обратной стороне платы):

Ток в каждой обмотке контролируется отдельной микросхемой и транзистором:

Микросхема UC3842 — это ШИМ контроллер для импульсных источников питания. Она содержит ШИМ генератор, компаратор тока, RS триггер и драйвер полевого транзистора. В общем, для этих целей подходит идеально

Первоначально я пытался собрать контроллер на микросхемах TL494. Но, как выяснилось, эти микросхемы не предназначены для контроля максимального тока в течении одного периода ШИМ. Их входные сенсоры тока и напряжения должны быть обрезаны фильтрами с частотой 10-15кГц.

UC3842, напротив, предназначена для ограничения максимального тока через обмотку трансформатора в течении одного периода. Она выключает транзистор в момент достижения установленного тока:

Опорное напряжение, сформированное ЦАП на управляющем модуле, поступает на вход Comp микросхемы. В начале периода ШИМ микросхема открывает транзистор. Ток в обмотке начинает плавно нарастать. Как только ток превышает заданное значение, микросхема закрывает транзистор.

UC3842 измеряет ток в обмотке по падению напряжения на токоизмерительном резисторе. Кроме сравнения с опорным напряжением, в микросхеме предусмотрена защита по максимальному току, которая отключает транзистор при напряжении на Isense выше 1В. Поэтому токоизмерительный резистор нужно выбирать таким образом, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составляло чуть меньше 1В. Точное значение максимального тока задаётся в прошивке. На плате предусмотрены места для резисторов R9-R11, которые позволяют набрать требуемое сопротивление.

Микросхема содержит встроенный генератор, частота которого задаётся цепочкой R3C2:

Во время разряда конденсатора, выходной транзистор закрывается (это dead time). Таким образом, выбором номиналов R3C2 можно задавать и частоту, и dead time. Естественно, эти элементы должны быть одинаковыми для всех обмоток.

Частоту ШИМ выбирают индивидуально для двигателя, учитывая повышение нагрева двигателя с повышением частоты.

Чтобы не устанавливать дополнительные компоненты, можно использовать сигнал Clock, который формирует микроконтроллер. Частота и dead time при этом задаются в прошивке. Элементы R3C2 не устанавливаются — устанавливается резистор R4.

Один выход ЦАП формирует опорное напряжение для пары обмоток ( только одна из которых может быть включена в данный момент ). Поэтому управляющий модуль отключает ( высоким логическим уровнем ) парную обмотку сигналом /M_L1EN.

Цепочка R1C1 подбирается таким образом, чтобы погасить всплеск тока, возникающий при открывании транзистора:

Диод D1 устанавливается опционально. Мне хватило встроенных в MOSFET.

При выключении транзисторов возникают выбросы противоЭДС, при этом выбросы напряжения на Drain-Source транзисторов могут превышать напряжение питания в 3 раза. Питание — 19В, ДШИ-200:

Классически эти выбросы гасят шунтирующими диодами, установленными на обмотки, либо отводят в источник питания. Однако нужно учитывать, что зашунтированная обмотка тормозит двигатель и не позволяет получить высокую скорость вращения. Поэтому выбросы нужно гасить только при превышении предельного значения, что обеспечивается включением стабилитрона навстречу диоду:

Желательно просто выбрать транзисторы с достаточно большим Vdss. Я использовал IRF540N (Vdss = 100В) для двигателя ДШИ-200 и IRFZ44N (Vdss = 55В) для двигателей от принтеров.

Напомню, что Vdss — это напряжение между Drain и Source, при котором транзистор самопроизвольно открывается. На практике это вызывает неправильную работу контроллера, нагрев транзисторов при относительно малых токах через них, или выход транзисторов из строя. Для двигателей до 3А, мосфеты должны быть холодными; радиаторы на них не устанавливаются.

Питание

Контроллер запитан от блока питания от ноутбука на 19В 3А:

5В получены с помощью готового модуля DC-DC преобразователя на LM2596, доступного на ebay:

Почему важен контроль тока

В стабильном состоянии ток в обмотке определяется только активным сопротивлением обмотки и напряжением питания. Но в момент включения ток в обмотке зависит и от активного, и от реактивного сопротивления. Поэтому вместо прямоугольных импульсов тока мы увидим следующую картину:

Чем больше индуктивность обмотки, тем дольше будут происходить нарастания и спады тока. При повышении скорости вращения, ток не будет успевать нарастать до максимального значения, и момент двигателя начнёт падать:

Чтобы обеспечить быстрое нарастание тока, нужно увеличить напряжение питания. Но в стабильном состоянии ток в обмотке ограничен только активным сопротивлением обмотки. Поэтому ограничение тока при повышении питающего напряжения является обязательным.

Следует упомянуть ещё один способ повышения оборотов. Напряжение питания двигателя повышают, а сам двигатель включают через мощное сопротивление. Этим мы уменьшаем долю реактивного сопротивления в цепи обмотки. Таким образом эффективно решаются сразу две задачи: повышение оборотов двигателя и обогрев мастерской

Режимы работы двигателя

Режим работы двигателя указывается в прошивке индивидуально для каждой оси.

Full Step, Full phase (полный шаг, одна обмотка)

Классический режим, в котором в каждый момент времени включена одна обмотка.

Full Step, Half phase(полный шаг, две обмотки)

Режим, в котором в каждый момент включены 2 соседние обмотки одновременно. Таким включением можно добиться повышения момента двигателя (легко реализуем, но не используется в текущей прошивке).

Half step

Комбинация предыдущих режимов. Количество шагов увеличивается вдвое. Когда включены две обмотки, ток в каждой установлен в 0.707 * Imax.

Microstep 4, 8, 16

Если представить, как вращается двигатель в режиме полного шага — можно заметить, что он двигается рывками: сначала разгоняется, притягиваемый очередной обмоткой, потом затормаживается, достигнув конечного положения. Это вызывает вибрации вала и всего станка в целом.

Так работает станок, при создании которого вопрос снижения шума не рассматривался:

Здесь всё плохо — мощные двигатели в режиме полного шага, огромный резонирующий корпус из ДСП… Совсем как в моём первом станке, который и пришлось разобрать из-за шумности В жилом помещении вопрос снижения шума — это не прихоть, это — вопрос, будет ли возможно использовать станок вообще.

Чтобы обеспечить плавное вращение двигателя, необходимо питать двигатель синусоидальным током. Для этого в контроллерах шаговых двигателей момент перехода от одной обмотки к другой делят на 4-16 микрошагов. На каждом микрошаге ток в первой обмотке уменьшается, а во второй — увеличивается, по синусоидальному закону:

При этом частота импульсов Step в управляющей программе должна быть увеличена в 4-16 раз соответственно.

Использование микрошага позволяет значительно снизить шум двигателя и получить более высокий момент на больших скоростях. Станок начинает “звучать профессионально”:

Я лично не рассматриваю микрошаг как способ повышения точности позиционирования, потому что конструкция ротора и статора не гарантирует равномерного распределения микрошагов. Кроме того, при небольшом усилии, или при переключении в режим удержания, вал двигателя может “выпадать” в положения полного шага.

Режим удержания

При отсутствии импульсов Step в течении ~2 секунд, контроллер понижает ток в обмотках до значений, указанных индивидуально для каждой оси в прошивке.

Сравнение с модулями на чипах Allegro

Популярность самодельных 3D принтеров вызвала появление на ebay готовых модулей на чипах A4983, конкурировать с которыми “рассыпухой” достаточно сложно. С другой стороны, мне было спокойнее экспериментировать со схемой, где в худшем случае придётся заменить ключи, чем с микросхемой 3×3мм, которая взорвётся при любой ошибке.

Кроме того, в будущем планируется расширить контроллер для автономной работы с небольшого пульта, так как составлять программу каждый раз, когда требуется сделать ровный рез — неудобно. А в совсем отдалённом будущем, возможно, получится реализовать управление по USB ( это когда контроллер принимает описание шагов с USB-UART и сам генерирует шаги ).

Описываемый контроллер эквивалентен 4-м таким модулям + плата опторазвязки.

Отличия: — в чипах Allegro выбросы тока при включении транзисторов моста игнорируются фиксированный интервал времени — 1us. Здесь выбросы подавляются цепочкой R1C1; — чипы Allegro умеют включать “режим быстрого снижения тока”. Если на следующем микрошаге ток в обмотке должен снизится, чип кратковременно шунтирует обмотку, открывая транзисторы моста. Введение такой возможности в данный (униполярный) контроллер слишком сильно усложнило бы схему; — у A4983 максимальная частота импульсов Step составляет 1/2мкс = 500кГц.

Я пробовал подключать один и тот же двигатель к этому контроллеру в униполярном и к A4983 в биполярном подключении. Субъективно, униполярное подключение давало больший момент на высоких скоростях. Возможно, из-за меньшей индуктивности обмотки при униполярном включении.

Печатные платы

Прошивка, фъюзы

Прошивка написана на С для CodevisionAVR 2.05. При большом желании, основной цикл можно переписать на ассемблере и увеличить максимальную частоту импульсов Step до ~20кГц.

При программировании микроконтроллера нужно отключать питание от силовой части.

Настройка Mach 3

В идеальном случае, управляющая программа должна уметь формировать импульсы Step точно с требуемой частотой. На практике в программе Mach3 и подобных, драйвер работает на фиксированной частоте (Kernel speed):

Поэтому Mach3 умеет формировать импульсы только на границах периодов Kernel speed. Например, если необходимо сформировать импульсы с частотой 16kHz (период — 62,5мкс) при частоте ядра 25kHz (период — 40мкс), то импульсы будут следовать неравномерно — с периодами, кратными 40мкс:

Из осциллограммы на выходе оптрона видно, что время восстановления для уверенного чтения “1” микроконтроллером составляет примерно 50мкс. После этого нужно выдержать “единицу” один цикл программы (26мкс), итого ~76мкс. Поэтому при частоте ядра 25кГц, максимальная частота импульсов Step не должна превышать 12500кГц, чтобы между импульсами было как минимум два периода по 40 мкс:

Для этого должно соблюдаться условие:

Steps per * Velocity / 60 < 12500

Полярность импульсов Step выставляется положительной:

Осциллограммы

Напряжение на токоизмерительном резисторе, низкая и средняя скорость вращения (Microstep 8x):

(должно быть близким к abs(sin(x))).

Напряжение на токоизмерительном резисторе, высокая скорость вращения:

Повторение конструкции/недостатки/улучшения

Общение с микросхемой M62359 идет на частоте, превышающей заявленные в даташите, поэтому её желательно заменить на что-то более быстрое. На практике я не наблюдал проблем в работе контроллера. Мне удаётся успешно фрезеровать печатные платы, обработка которых включает штриховку всей платы с шагом 0.3мм:

Платы силовой части разводились “на все случаи жизни”. Возможно имеет смысл убрать посадочные места для опциональных деталей и уменьшить габариты. Или сделать весь контроллер на одной большой плате в SMD варианте.

Силовые платы планировалось вставлять в управляющий модуль вертикально, как в материнскую плату компьютера, но в итоге сделал на шлейфах. Из-за этот шлейфы пришлось пережимать со сдвигом. Если бы делал изначально — развёл бы под готовые шлейфы от дисководов.

Контроллер не проверялся с токами больше 2А — возможно, следует уделить больше внимания разводке.

Напряжение питания двигателей можно поднять вплоть до 60В. При этом нужно установить транзисторы в большим Vdss и подобрать сопротивление R8 в цепи питания UC3842 (микросхема содержит внутренний стабилитрон на 30В). Напряжение питания нельзя поднимать бесконечно, потому что можно получить пробой в обмотках двигателя.

Также обратите внимание на (нестандартный) разъём программатора.

Сразу хочу предупредить, что для настройки контроллера обязательно нужен осциллограф. Без него понять, что происходит в обмотках, будет невозможно.

Материалы

UC3842 CURRENT MODE PWM CONTROLLER https://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3842.pdf

DMOS Microstepping Driver with Translator A4983 https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/A4983-Datasheet.ashx

Ускорение шаговых двигателей https://vri-cnc.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=22

Ускорение шаговых двигателей 2 https://vri-cnc.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=4&mode=&order=0&thold=0

Losing steps in Mach3: Kernel Speed, Pulse Width and «Sherline 1/2 Pulse mode» https://ivan.blogs.chimerical.com.au/post/2010/07/07/Losing-steps-in-Mach3-Kernel-Speed-Pulse-Width-and-Sherline-12-Pulse-mode.aspx

Электроника и механика домашнего 3-х координатного станка ЧПУ (Hobby CNC). https://radiokot.ru/lab/hardwork/33/

hCNC3+ (ATMega16, StepDir, 3 axis, ШИМ, ручное управление). https://vri-cnc.ru/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=1438&start=0&postdays=0&postorder=asc&highlight=

Простой биполярный драйвер на Pic https://cncmasterkit.ru/viewtopic.php?f=3&t=1393

Микрошаговый контроллер шагового двигателя на базе PIC18F2320 V4.1 https://robozone.su/cnc-home/50-mikroshagovyjj-kontroller-shagovogo-dvigatelja-na.html

STEP/DIR контроллер 3-х шаговых двигателей на микроконтроллере (для станка ЧПУ) https://radiokot.ru/circuit/digital/automat/25/

3 axis STEP-DIR controller https://www.deep-shadows.com/hax/wordpress/?page_id=455

Файлы:

Схема, печатки ( Proteus ) Исходные коды (Codevision AVR 2.05)

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?
49	0	0

Как подключить шаговый двигатель без контроллера

Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель. Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Как работает гибридный двигатель

Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.

Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.

Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.

Если ток течет по двум обмоткам статора, результирующие полюса будут притягивать зубы обратной полярности на каждом конце ротора. Есть три устойчивых позиций для ротора, столько же, сколько количество зубьев на роторе. Момент, необходимый для перемещения ротора от его стабильного положения во вращательное движение называется «удержание крутящего момента»

Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора. В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу. Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).

Наконец, второй набор обмоток работает в противоположном направлении, обеспечивая третье положение ротора (еще 30 градусов). Теперь мы можем вернуться снова к первому этапу (А), и после прохождения заново всех этих четырех этапов, ротор будет перемещен еще на один зуб.

Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.