Шаговые двигатели – типы, устройство и принцип работы, подключение и управление

Шаговый двигатель (ШД) — бесщеточный механизм с несколькими обмотками и последовательной подачей напряжения на каждую из них. Первые экземпляры электрических моторов такого типа появились еще в 1830-х годах, и почти за 200 лет устройство претерпело значительных изменений.

Ниже рассмотрим, что это за агрегат, какие бывают виды и особенности конструкции, на каком принципе работают, и где применяются. Отдельно разберем плюсы и минусы, тонкости подключения и управления, а также другие вопросы, касающиеся разновидности мотора.

Что такое шаговый двигатель

Шаговый двигатель — электромотор, где импульсное питание током приводит к перемещению роторной части на заданный угол. Относится к классу бесколлеркторных электромоторов постоянного тока.

После его запуска создается наибольший момент при минимальной скорости, а сам двигатель показывает отличные характеристики даже в состоянии покоя.

Управление осуществляется посредством дискретных импульсов, формируемых на драйвере мотора.

Первые шаговые двигатели имели вид электромагнита, вращающего в момент включения храповое колесо. Каждое включение приводило к перемещению на одну позицию.

За время эксплуатации моторы были существенно оптимизированы с позиции конструктивных и функциональных параметров.

Сфера применения

Шаговые двигатели получили широкое применение и устанавливаются во многих механизмах.

Примеры:

• Периферийные устройства вычислительных машин.
• Станки с числовым программным управлением (ЧПУ): XY-столы, фрезерные станки, чертежные автоматы.
• Устройства компьютерной памяти.
• Оборудование для чтения оптических дисков.
• Перфоратор и считыватель ленты и т. д.

[caption id="attachment_5242" align="aligncenter" width="800"] Фрезерный станок с ЧПУ[/caption]

Активное применение в машиностроении получили двухфазные шаговые электродвигатели гибридного типа. Также они используются в приводах разных машин и механизмов, которые работают в режиме «старт-стоп».

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.

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.

Принцип работы

В зависимости от вида агрегата его конструктивные особенности могут отличаться, но общий принцип действия почти неизменный. Так, на статоре предусмотрены четыре обмотки, расположенные под 90-градусным углом.

Как только на первую обмотку подается напряжение, ротор перемещается на указанный выше угол. При поступлении напряжения на вторую, третью и четвертую обмотку вал продолжает вращаться до прохождения полного круга. Далее процесс повторяется сначала.

При желании изменить очередность вращения требуется подавать импульсы в обратном направлении. Для удобства пользователи могут управлять ШД и менять его характеристики с учетом особенностей использования.

Преимущества и недостатки

Перед применением шагового двигателя необходимо изучить его плюсы и минусы. По ним проще судить об актуальности применения оборудования для решения задач разной сложности.

Плюсы:

• Точность. При подаче напряжения на определенные обмотки ротор поворачивается на строго определенный угол.
• Продолжительный срок службы. Если следить за оборудование, проводить периодические проверки и восстановительные процедуры, шаговый двигатель способен прослужить не меньше станка.
• Часто применяется в качестве более дешевой альтернативы сервопривода. Его часто применяют для автоматизации разного рода узлов.
• Стабильность. ШД работает при разных нагрузках и не боится колебания этого параметра.
• Легкость в применении. Управление шаговым двигателем не требует специальных знаний. Разобраться в принципе действия и правилах использования может даже новичок.
• Отличные характеристики: поддержка максимального момента вращения (даже при низкой скорости), четкость фиксации после остановки.
• Простота ремонта. Имеет простую конструкцию, поэтому с обслуживанием и восстановлением не возникает трудностей.

Минусы:

• Низкий момент. ШД не могут похвастаться достаточным моментом при повышении скорости вращения. Единственный выход — улучшение динамических параметров с помощью специальных ШИМ-драйверов.
• Вибрации. Из-за дискретности шага возникают вибрации, которые неизбежно приводят к уменьшению момента вращения и появлению резонансов в системе.
• Риск нарушения позиционирования. Изменение этого параметра возможно при повышении нагрузки выше допустимого параметра.
• Небольшая эффективность. Шаговый двигатель использует много энергии даже при минимальной нагрузке.
• Трудности с набором скорости. Агрегат с трудом набирает обороты после мгновенной перегрузки.
• Риск «проскальзывания» ротора. Это известная проблема, проявляющаяся в случае повышения нагрузки выше допустимого значения. Для ее решения можно установить датчик или увеличить мощность мотора.

Это не исчерпывающий список слабых и сильных характеристик шагового механизма, но достаточный для принятия решения.

Основные характеристики

При выборе шагового двигателя необходимо смотреть на его параметры.

Выделим основные моменты:

• Количество полных шагов. От этого показателя зависит плавность и точность хода, а также разрешающая способность. В современных моделях число полных шагов должно быть в пределах 200-400.
• Сопротивление обмотки. Свидетельствует о напряжении, которое может выдать агрегат.
• Угол дискретного перемещения. Считается путем деления 360 градусов на число отдельных перемещений за оборот. Оптимальный показатель от 0,9 до 1,8 градуса.
• Индуктивность фазы. Определяет скорость увеличения тока, что актуально при ускоренном вращении вала.
• Пробивное напряжение. Максимальный параметр, при котором нарушается целостность изоляционного слоя и определяется безопасность применения.
• Сопротивление изоляции. Измеряется между каждой из обмоток и кожухом.
• Номинальный ток. Наибольший параметр, при котором возможна безопасная эксплуатация агрегата.
• Допустимое напряжение («постоянка»). Измерение осуществляется на витках. Иногда этот параметр не указывается, но в таком случае его можно посчитать по закону Ома.

Отдельное внимание важно уделить еще одному параметру — моменту. Он бывает нескольких видов:

• удерживающий: актуален в случае полной остановки и питания током двух фаз;
• крутящий: зависит от частоты вращения, указывается максимальный показатель для агрегата;
• стопорный: необходим для проворачивания вала при отсутствии питания;
• инерционный: чем ниже этот показатель, тем быстрее разгоняется двигатель.

Комплексный анализ характеристик позволяет с большей точностью подобрать устройство под решение конкретных задач.

Подключение шагового двигателя

Для подачи потенциала на обмотки ШД необходим механизм, способный выдать один или группу импульсов в конкретной последовательности. В роли таких элементов выступают полупроводниковые устройства и драйвера на базе микропроцессоров.

В них предусмотрена группа выходных клемм, каждая из которых формирует режим функционирования и подачи напряжения.

С учетом схемы подключения используются те или иные выводы устройства. Как результат, удается подобрать конкретную скорость вращения, шаг или микрошаг для перемещения в плоскости.

Всего выделяется шесть основных схем соединения:

• биполярный;
• биполярный с отводом из центральной части обмотки;
• униполярный с четырьмя фазами и подключением пары обмоток;
• четырехфазный униполярный с параллельным подключением;
• четырехфазный униполярный с последовательным соединением.

Если питание шагового двигателя осуществляется от одинакового драйвера, в отношении упомянутых выше схем можно выделять ряд особенностей:

• Отводы всегда подходят к соответствующим клеммам. При последовательном объединении обмоток повышается индуктивность обмоток и снижается ток.
• Пользователь получает паспортные параметры касательно параметров. При параллельном подключении повышается ток и уменьшается индуктивность. Если подключить обмотку по одной фазе, уменьшается момент на низких оборотах, и снижается величина тока.
• Сохраняются динамические и электрические параметры (с учетом данных в паспорте).
• Повышенный момент и использование для получения больших частот.
• Увеличение момента (используется для небольших частот вращения).

Принципиальные схемы подключения показаны ниже.

Для беспроблемной эксплуатации ШД важно помнить о тонкостях подачи номинального напряжения, скорости момента вращения и снижения линейного напряжения.

Отдельного внимания заслуживает подключение шагового двигателя к Ардуино. В этом случае управляющие выходы с драйвера подключены цифровым контактам на Arduino Uno.

Питающее напряжение равно 5 В. Дополнительно можно использовать еще один источник питания во избежание перегрева платы.

Кстати, как сделать умный дом на Arduino читайте тут https://elektrikexpert.ru/arduino.html.

Управление шаговым двигателем

Как уже отмечалось, выделяется несколько способов управления шаговым агрегатом. Каждый из вариантов имеет ряд особенностей в вопросе подачи сигналов на имеющиеся полюса.

К главным методам управления относится:

• Волновой. Особенность состоит в подаче возбуждения к одной обмотке. Именно к ней и подтягиваются роторные полюса. При этом ШД не способен выдержать большую нагрузку, ведь выдает лишь часть момента.
• Полношаговый. Суть такого управления в одновременном возбуждении двух фаз, что гарантирует наибольший момент при параллельной схеме подключения. Если соединить обмотки последовательно, будет создаваться максимальный ток и напряжение.
• Полушаговый. Комбинация двух рассмотренных выше режимов. При реализации такой схемы в шаговом моторе происходит поочередная подача напряжения. Сначала оно направляется в одну катушку, а потом сразу в обе. Как результат, гарантируется лучшая фиксация на наибольших скоростях и максимальным числом шагов.

Чтобы преодолеть инерцию и достичь более мягкого управления, применяется микрошаговая структура. Особенность — задание синусоиды с помощью многочисленной подачи импульсов.

Как результат, силы взаимодействия магнитных цепей более плавно меняются, и обеспечивается мягкое перемещение между полюсами. В итоге уменьшаются рывки во время работы.

По наличию контроллера шаговые двигатели делятся на два типа:

Безконтроллерные. Используется Н-мостовая схема с возможностью менять полярность для реверса устройства. В зависимости от ситуации делается на микросхемном или транзисторном принципе. Сначала напряжение подается на мост, а, благодаря параллельно размещенным переключателям, осуществляется движение тока через обмотки мотора. Как результат, удается наладить вращение в любом направлении.

Контроллерные. Преимущество исполнения стоит в возможности управления шаговым агрегатом в разных режимах. В роли ключевого элемента выступает электронный блок, который выдает группу сигналов и задает последовательность их передачи. Во избежание повреждения при КЗ или другой аварии на моторе каждый вывод защищен с помощью диода, не пропускающего импульс в обратном направлении.

К наиболее популярным относится две схемы управления — от контроллера с дифференциальным входом и выходом вида «открытый коллектор».

Первый вариант отличается надежной защитой от помех с подключением прямого / инверсного сигнала к подходящим полюсам. Здесь обязательно экранирование провода, по которому подается сигнал. Это оптимальное решение для маломощных устройств.

Вторая схема отличается соединением «плюсовых» выходов контроллера, подключенных к «плюсовому» выводу. При подаче напряжения свыше 9 В требуется добавление сопротивления для снижения тока. Кроме того, с помощью такого решения можно задать нужное число шагов в определенном скоростном режиме и задать ускорение.

Драйвер шагового двигателя

Управление шаговым двигателем невозможно без применения драйвера — электронного устройства, обеспечивающего его работу с учетом сигналов управления.

Иными словами, это элемент схемы, предназначенный для управления обмотками мотора путем подачи цифровых сигналов.

Благодаря такой конструкции, обеспечивается вращение ротора ШД. Драйвер работает после подключения источника питания, обмоток самого устройства и источника управляющего сигнала.

В зависимости от вида драйвера могут решать ряд дополнительных задач:

• контроль перегрузки по току, повышения напряжения и переполюсовки;
• автоматическое снижение тока в случае длительного простоя;
• защита от эффекта обратной ЭДС;
• построение простых схем перемещения без использования компьютера (встроенный генератор частоты) и т. д.

Конструктивно драйвер состоит из контроллера и силовой части. Первая составляющая создана на базе микропроцессора и может программироваться, а вторая представляет собой полупроводниковый усилитель мощности, цель которого состоит в преобразовании подаваемых на фазы токовых импульсов.

Драйверы условно делятся на три категории (по типу доставки тока):

• Постоянного напряжения. Подает высокий потенциал по очереди на каждую из обмоток. Суммарный ток зависит от сопротивления последних, а на больших оборотах — от индуктивности. Такие драйверы имеют низкую эффективность и могут применяться только на небольших скоростях.
• Двухуровневые. Сначала подается напряжение, благодаря которому ток в обмотке поднимается до нужной величины, после чего источник потенциала выключается, а ток поддерживается источником низкого напряжения. Такие драйверы имеют более высокую эффективность и уменьшают нагрев моторов. Работают в режиме полного и половины шага.
• ШИМ-типа. Пользуются наибольшим спросом, благодаря надежности и удобству управления. Их особенность состоит в подаче на обмотку ШИМ-сигнала высокого напряжения, отсекаемого небольшим током. Такие драйверы отличаются интеллектуальностью и возможностью программирования.

Кроме того, драйверы шаговых двигателей отличаются по типу. Они бывают аналоговыми, цифровыми и с энкодером. Поговорим о них более подробно.

Аналоговые

Отличаются высокой надежностью и эффективностью, благодаря сравнительно небольшому потреблению тока.

Задача таких устройств состоит в попеременной подаче импульса в разные обмотки статора с учетом заранее заданной программы. При этом обеспечивается определенный угол и направление вращения.

Плюсы аналоговых драйверов:

• низкая цена;
• защита от КЗ и высокого напряжения;
• автоматическое снижение тока;
• отсутствие риска случайного перегрева.

К основным моделям можно отнести:

CW-230. Предназначен для управления биполярным шаговым агрегатом на две фазы с максимальным током до 3 А. Мотор может управляться в режиме до 1/64 шага. Управление силовым узлом осуществляется с помощью трех сигналов, подаваемых на дифференциальные входы. Плюсы: низкая цена, изоляция входных сигналов, защита от ошибочного подключения, КЗ и высокого напряжения.

QJ Предназначен для управления биполярным ШД с двумя фазами и предельным током до 4,5 А. Доступно управление в режиме до 1/256 шага. Для управления применяется три сигнала, которые подают на входы PUL, DIF и ENA. Благодаря такой особенности, можно подключиться к LPT-порту ПК и успешно работать с программой ЧПУ станков. Плюсы: полный набор защит, автоматическое снижение тока, изолированные входные сигналы, доступная стоимость.

QJ6060AC — предназначен для управления 2-фазным шаговым двигателем. Наибольший параметр тока — до 6 Ампер на каждую из фаз. Доступно управление с 1/128 шага. Для управления применяется три сигнала (как в рассмотренной выше модели). Доступно подключение ШД для ЧПУ станков и ряда плоттеров.

Цифровые

Это более современные модели, работающие на базе цифрового управляющего сигнала. В основе лежит 32-разрядный процессор, повышающий характеристики применяемого оборудования.

ШД, работающие с таким драйвером, выделяет низкий уровень вибрации, минимальный нагрев, небольшой уровень шума.

Преимущества цифровых устройств:

• автоматическая настройка;
• высокая производительность;
• защита от перегруза;
• больший набор функций;
• максимальное деление по шагам;
• автоматическое уменьшение напряжения на ХХ и т. д.

Популярные модели:

2DM542 — 2-фазное устройство, в основе которого лежит 32-битный процессор. Отличается привычным способом изменения тока, гарантирует высокий уровень производительности, оптимальный момент вращения, повышенное ускорение и стабильность. Благодаря улучшенным алгоритмам, гарантируется стабильность к изменениям нагрузки, оптимальное ускорение и необходимый момент вращения.

2DM Как и рассмотренная выше модель, этот цифровой драйвер имеет 2-фазное исполнение и построен на 32-битном CPU. Его применение позволяет добиться большей плавности работы мотора, улучшить его производительность и момент вращения, добиться оптимального ускорения и стабильности к изменениям нагрузки. В модели предусмотрены встроенные устройства для самостоятельного тестирования и автонастройки.

Leadshine DM-805-AI. Особенность драйвера состоит в высокой степени плавности системы с гарантией оптимального момента вращения и стабильности работы устройства. Благодаря встроенной технологии самостоятельного тестирования и автоматической настройки, драйвер эффективно взаимодействует с разными типами моторов. При этом сам двигатель работает плавнее, меньше перегревается и почти не шумит. Для удобства поддерживается несколько рабочих режимов, имеется три встроенных потенциометра, позволяющие установить параметры разгона, скорости и торможения. Драйвер применяется для агрегатов типа NEMA-17-34 различных модификаций.

С энкодером

Такие драйвера представляют собой устройства, построенные на цифровом принципе и имеющие высокую реакцию. Применяются в качестве замены для более сложных систем управления, нуждающихся в высокой точности.

К особенностям относится:

• наличие обратной связи;
• поддержка момента и скорости вращения;
• гарантирование плавности передвижения и небольшого уровня шума;
• защита от токовых и иных перегрузок;
• уменьшение нагрева мотора и обеспечение его нормальной работы.

При использовании такого драйвера можно не бояться задержек в работе при сохранении максимального быстродействия.

К популярным моделям можно отнести:

• 2HSS86H — 2-фазный цифровой серводрайвер, совмещающий функции шагового и сервопривода. Применяется для оборудования, нуждающегося в высоком моменте вращения, быстродействии, рентабельности и устойчивости при 0-ой скорости. Его применение гарантирует плавность и минимальную шумность шагового мотора.
• CWDS860H — устройство нового поколения, совмещающее лучшие качества серво- и шаговых устройств. Гарантирует снижение вибрации, уменьшение шумности и большую точность позиционирования. Благодаря равномерности работы и высокой скорости реакции эта модель подходит для программ, нуждающихся в быстром перемещении на небольшие расстояния и требующие плавности в работе. Особенности модели: устойчивость при 0-ой скорости, быстродействие и рентабельность.
• HBS57 — альтернативный вариант для программ, нуждающихся в высокой производительности и повышенной надежности (там, где применяется сервопривод). В состав системы входит 3-фазный шаговый и цифровой быстродействующий драйвер. Устройство отличается высокой скоростью реакции и отсутствием рыков. Двигатель меньше греется, имеет меньший уровень шума и работает без задержек.

[caption id="attachment_5279" align="aligncenter" width="900"] ДРАЙВЕР 2HSS86H[/caption]

Кроме рассмотренных выше, бывают и другие типы драйверов, но они применяются реже.

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.

Популярные модели:

• PoKeys57CNC — контроллер ЧПУ с восьмью осями для программ Mach3 и Mach Его особенность состоит в поддержке работы по USB- и Ethernet-интерфейсу. Для управления применяются стандартные сигналы STEP и DIR, предусмотрено до восьми драйверов шагового типа. Модель совмещается с энкодерами, ручным пультом управления, LCD-дисплеем, а также конечными выключателями. Имеется два релейных и четыре транзисторных выхода, возможность увеличения количества выходов, поддержка Modbus TSP и т. д.
• Leadshine SMC6480 — контроллер, предназначенный для позиционного управления на базе микропроцессора. В его структуру входит логическая интегральная схема, предназначенная для отправки импульсов, контроля процесса разгона и торможения, обработки входов и выходов. Устройство способно воспроизводить импульсы с частотой до 5000 кГц и выдерживать интерполяцию до четырех осей (линейную) и до двух осей (круговую). Предусмотрены индивидуальные входы / выходы аналогового и цифрового типа, ручной вход и ШИМ выход.

[caption id="attachment_5280" align="aligncenter" width="952"] Контролер Leadshine SMC6480[/caption]

Кроме многоосевых контроллеров можно найти и другие устройства, к примеру, высоты плазмы. Они контролируют наличие рабочей дуги плазмы и подают команду на основную плату ЧПУ для перемещения резака.

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.

Особенности шаговых двигателей с редуктором: что это, какие бывают

Шаговые двигателя с редуктором — устройства, комплектуемые цилиндрическим или червячным дополнительным механизмом (редуктором). Кратко рассмотрим особенности каждого из вариантов.

С червяным редуктором

ШД с редуктором червячного типа гарантируют больший момент вращения и активно применяются для станков с ЧПУ и устройств автоматизированного производства. Коэффициент редукции составляет от 1 к 10 до 1 к 60. Привод идет в комплекте, но без выходного вала.

Червячная передача полезна в случае, когда необходимо добиться высокого момента вращения при минимальной угловой скорости.

Особенность шаговых моторов с рассматриваемым типом редуктора отличается следующими плюсами:

• высокий КПД;
• сравнительно большая нагрузочная способность;
• минимальный люфт выходного вала;
• стабильная работа при пульсирующих режимах;
• плавность хода;
• точная фиксация позиции, благодаря опции самоторможения;
• компактность.

Устройства с червячным мотором отличается простой конструкцией и сравнительно небольшой ценой. При выборе необходимо учесть коэффициент редукции, габариты и будущий режим использования.

Примеры:

• ШД-57 мм с червячным редуктором. Могут быть необслуживаемые и с самостоятельным торможением. Поставляются без вала выходного типа. Одинарный или входной вал можно купить отдельно. Модели — PL57WG76-10 (20, 40, 60) с редукцией 1 к 10, 1 к 20, 1 к 40 и 1 к 60 соответственно.
• ШД-86 мм с червячным редуктором. Здесь условия такие же, как и в рассмотренном выше варианте. Модели — PL86WG118-10 (20, 40, 60) с редукцией 1 к 10, 1 к 20, 1 к 40 и 1 к 60 соответственно.

С цилиндрическим редуктором

Шаровые двигатели, оборудованные редуктором цилиндрического типа — стандартные устройства, имеющие несколько обмоток, где ток, подаваемый в любую из обмоток статора, вызывает движению ротора.

Последовательная активация обмоток приводит к дискретным угловым перемещениям.

Особенности таких моторов:

• высокий КПД;
• небольшая нагрузочная способность;
• минимальный люфт на выходном валу;
• стабильная работа даже в пульсирующих режимах.

Варианты исполнения:

• Униполярные. Бюджетное решение, построенное на магнитах. Устройство изготовлено из шестеренок, сделанных из пластика, а управление возможно с помощью ULN Подходит для применения с наборами Arduino в системах DIY. Модели — 28BYJ-48-12 или 28BYJ-48-5. Отличаются только сопротивлением. В первом случае 90, а во втором 30 Ом.
• ШД-57 мм (NEMA 23). Шаровые моторы на 57 м с редуктором цилиндрического типа. Момент на выходном валю — до 3 Н*м, а люфт до 1 градуса. Востребованные модели — PL57GH76-3D8, PL57GH76-5D8, PL57GH76-10D8, PL57GH76-20D8, PL57GH76-50D8.
• ШД-86 м (NEMA34). 86-миллиметровые агрегаты с люфтом до 1 градуса и моментом на выходе до 20 Н*м. Популярные модели — PL86GH113-3D14, PL86GH113-5D14, PL86GH113-10D14, PL86GH113-20D14, PL86GH113-50D14.

Дополнительные варианты: FL86STH65-2808AG3 / -BG3, FL86STH65-2808AG5 / -BG5, FL86STH65-2808AG12.5 / -BG12.5, FL86STH65-2808AG25 / -BG25, FL86STH65-2808AG50 / -BG50 и другие.

Трехфазные шаговые двигатели

Главная особенность 3-фазных шаговых моторов — возможность подключения к трем фазам постоянного тока. Они применяются в оборудовании, нуждающемся в более точном позиционировании, минимальных вибрациях и низком уровне шума. В остальном сфера использования таких ШД ничем не отличается.

Характеристики:

• угловой шаг — 1,2 градуса;
• сопротивление фазы — от 0,24 до 1,4 Ом;
• индуктивность — от 0,267 до 9,82 мГн.

Плюсы 3-фазных ШД:

• равномерный момент;
• улучшенные параметры разгона и торможения;
• сохранение рабочего момента на больших оборотах;
• минимальная шумность;
• низкая вибрация.

При выборе необходимо учитывать рабочий ток, угловой шаг, момент, индуктивность и зависимость момента / скорости. Также необходимо учесть параметры вала (его диаметр).

Шаговые двигатели для 3D принтера

ШД для 3D принтера — небольшие устройства, отличающиеся малым весом и минимальным моментом вращения. Наиболее востребованы модели NEMA17, отличающиеся шагом в 1,8 градуса. Благодаря такой особенности, можно с большей точность настроить позиционирование устройства.

При выборе ШД для 3D принтера обратите внимание на следующие параметры:

• вес и размеры;
• диаметр вала — должен подходит для 3D-принтера по конструктивным особенностям;
• момент удержания — оптимально 2,5-4 кг;
• номинальный ток — лучший вариант 1,7 А.

Популярные модели — Nema 17, 42HM34-1334 (0.9°), Nema 23, 57HS41-2804, Nema 8, 20HS38-0604, Nema 17, 42HM48-1684 (0.9°), Nema 17, 17HS4401 с редуктором 27:1 и т. д.

Итоги

Шаговый двигатель — универсальное устройство, имеющий широкий спектр применения и отличающийся улучшенными характеристиками. Его можно использовать станках с ЧПУ, периферийных устройствах и даже 3D-принтерах. Но для правильного выбора нужно знать несколько моментов: особенности, характеристики и правила подключения.