Что такое шаговый двигатель и как он работает

От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до сложного станка с ЧПУ или роботизированного манипулятора - шаговые двигатели можно найти почти везде. Его способность выполнять точные движения с электронным управлением позволила этим двигателям найти применение во многих отраслях, таких как камеры наблюдения, жесткие диски, станки с ЧПУ, 3D-принтеры, робототехника, сборочные роботы, лазерные резаки и многое другое. В этой статье мы узнаем, что делает эти двигатели особенными, и что за этим стоит теория. Мы узнаем, как использовать его для вашего приложения.

Введение в шаговые двигатели

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют статор и ротор, но в отличие от обычного двигателя постоянного тока статор состоит из отдельных наборов катушек. Количество катушек будет отличаться в зависимости от типа шагового двигателя, но пока просто поймите, что в шаговом двигателе ротор состоит из металлических полюсов, и каждый полюс будет притягиваться набором катушек в статоре. На приведенной ниже схеме показан шаговый двигатель с 8 полюсами статора и 6 полюсами ротора.

Если вы посмотрите на катушки на статоре, они расположены в виде пар катушек, например, A и A 'образуют пару B, а B' образуют пару и так далее. Таким образом, каждая из этих пар катушек образует электромагнит, и они могут получать питание индивидуально с помощью схемы драйвера. Когда на катушку подается напряжение, она действует как магнит, и полюс ротора выравнивается по нему, когда ротор вращается, чтобы приспособиться к выравниванию со статором, это называется одной ступенькой. Точно так же, последовательно запитывая катушки, мы можем вращать двигатель небольшими шагами, чтобы сделать полный оборот.

Типы шаговых двигателей

В основном существуют три типа шаговых двигателей в зависимости от конструкции, а именно:

• Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением: у них есть ротор с железным сердечником, который притягивается к полюсам статора и обеспечивает движение за счет минимального сопротивления между статором и ротором.
• Шаговые двигатели с постоянными магнитами : у них есть ротор с постоянными магнитами, и они отталкиваются или притягиваются к статору в соответствии с приложенными импульсами.
• Гибридный синхронный шаговый двигатель: они представляют собой комбинацию шагового двигателя с переменным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом.

Помимо этого, мы также можем классифицировать шаговые двигатели как униполярные и биполярные в зависимости от типа обмотки статора.

• Биполярный шаговый двигатель: обмотки статора на этом типе двигателя не имеют общего провода. Привод этого типа шагового двигателя отличается и сложен, а схема управления не может быть легко спроектирована без микроконтроллера.
• Униполярный шаговый двигатель: в этом типе шагового двигателя мы можем взять центральное ответвление обеих фазных обмоток для общего заземления или для общей мощности, как показано ниже. Это упрощает управление двигателями, также существует много типов униполярных шаговых двигателей.

Итак, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, из этого выходят пять проводов всех причудливых цветов, и почему это так? Чтобы понять это, мы должны сначала узнать, как работает степпер, о котором мы уже говорили. Прежде всего, шаговые двигатели не вращаются, они шаговые, поэтому их также называют шаговыми двигателями. Это означает, что они будут двигаться только на один шаг за раз. В этих двигателях присутствует последовательность катушек, и эти катушки должны быть запитаны определенным образом, чтобы двигатель вращался. Когда на каждую катушку подается питание, двигатель делает шаг, и последовательность подачи энергии заставляет двигатель делать непрерывные шаги, заставляя его вращаться. Давайте посмотрим на катушки внутри двигателя, чтобы точно знать, откуда берутся эти провода.

Как видите, двигатель имеет однополярную 5-проводную катушку. Есть четыре катушки, на которые нужно подавать напряжение в определенной последовательности. На красные провода будет подано + 5 В, а остальные четыре провода будут заземлены для запуска соответствующей катушки. Мы используем любой микроконтроллер, чтобы запитать эти катушки в определенной последовательности и заставить двигатель выполнять необходимое количество шагов. Опять же, есть много последовательностей, которые вы можете использовать, обычно используется 4-ступенчатая, а для более точного управления также можно использовать 8-ступенчатое управление. Таблица последовательности для 4-ступенчатого управления приведена ниже.

Шаг	Катушка под напряжением
Шаг 1	А и В
Шаг 2	B и C
Шаг 3	C и D
Шаг 4	D и A

Итак, почему этот мотор называется 28-BYJ48 ? Шутки в сторону!!! Я не знаю. У этого двигателя нет никаких технических причин для такого названия; Возможно, нам не стоит углубляться в это. Давайте посмотрим на некоторые важные технические данные, полученные из таблицы данных этого двигателя на картинке ниже.

Это голова, полная информации, но нам нужно взглянуть на несколько важных, чтобы знать, какой тип шагового двигателя мы используем, чтобы мы могли его эффективно программировать. Сначала мы знаем, что это шаговый двигатель 5 В, поскольку на красный провод подается напряжение 5 В. Кроме того, мы знаем, что это четырехфазный шаговый двигатель, поскольку в нем было четыре катушки. Теперь передаточное число равно 1:64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, совершит один полный оборот только в том случае, если двигатель внутри вращается 64 раза. Это связано с шестернями, которые соединены между двигателем и выходным валом, эти шестерни помогают увеличить крутящий момент.

Еще одна важная информация, на которую следует обратить внимание, - это угол шага: 5,625 ° / 64. Это означает, что двигатель, когда он работает в 8-ступенчатой ​​последовательности, будет перемещаться на 5,625 градуса для каждого шага, и ему потребуется 64 шага (5,625 * 64 = 360), чтобы совершить один полный оборот.

Расчет шагов на оборот для шагового двигателя

Важно знать, как рассчитать количество шагов на оборот для вашего шагового двигателя, потому что только тогда вы сможете эффективно программировать / управлять им.

Предположим, мы будем работать с двигателем в 4-х шаговой последовательности, поэтому угол шага будет 11,25 °, поскольку он составляет 5,625 ° (указано в таблице данных) для 8-шаговой последовательности, это будет 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Шагов на оборот = 360 / угол шага Здесь 360 / 11,25 = 32 шага на оборот.

Зачем нужны модули драйверов для шаговых двигателей?

Большинство шаговых двигателей работают только с помощью модуля драйвера. Это связано с тем, что модуль контроллера (микроконтроллер / цифровая схема) не сможет обеспечить достаточный ток от своих контактов ввода / вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний модуль, такой как модуль ULN2003, в качестве драйвера шагового двигателя. Существует много типов модулей драйвера, и номинальные характеристики одного будут меняться в зависимости от типа используемого двигателя. Основным принципом для всех модулей драйвера будет источник / потребление тока, достаточного для работы двигателя. Кроме того, существуют также модули драйверов, в которых заранее запрограммирована логика, но мы не будем обсуждать это здесь.

Если вам интересно узнать, как вращать шаговый двигатель, используя какой-либо микроконтроллер и драйвер IC, то мы рассмотрели множество статей о его работе с различными микроконтроллерами:

• Взаимодействие шагового двигателя с Arduino Uno
• Подключение шагового двигателя к STM32F103C8
• Взаимодействие шагового двигателя с микроконтроллером PIC
• Подключение шагового двигателя к MSP430G2
• Интерфейс шагового двигателя с микроконтроллером 8051
• Управление шаговым двигателем с Raspberry Pi

Теперь я считаю, что у вас достаточно информации, чтобы управлять любым шаговым двигателем, который вам нужен для вашего проекта. Давайте посмотрим на преимущества и недостатки шаговых двигателей.

Преимущества шаговых двигателей

Одним из основных преимуществ шагового двигателя является то, что он имеет отличное управление положением и, следовательно, может использоваться для точного управления. Кроме того, он имеет очень хороший удерживающий момент, что делает его идеальным выбором для робототехники. Считается, что шаговые двигатели имеют более продолжительный срок службы, чем обычные двигатели постоянного тока или серводвигатели.

Недостатки шаговых двигателей

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют свои недостатки, поскольку они вращаются небольшими шагами, поэтому не могут достичь высоких скоростей. Также он потребляет мощность для удержания крутящего момента, даже когда он идеален, что увеличивает потребление энергии.