Что такое шаговые двигатели с энкодером
Вечный энкодер (валкодер) с устойчивыми положениями из шагового двигателя
Механический энкодер — вещь удобная в использовании, но он имеет некоторые досадные недостатки. В частности, контакты со временем изнашиваются и приходят в негодность, появляется дребезг. Оптические энкодеры гораздо надежнее, но они дороже, многие из них боятся пыли, и они редко встречаются в таком виде, в котором их удобно было бы использовать в радиотехнике.
Содержание / Contents
↑ Шаговый двигатель и схема
Я разобрал несколько дисководов, везде двигатели были разные. Встречались на шлейфе, встречались с косой цветных проводов. На шлейфе общий провод — крайний. Всё остальное находится прозвонкой. По сопротивлению понятно: с выхода на выход сопротивление вдвое больше, чем с выхода на общую точку. А можно даже не прозванивать. Если открутить четыре винта, внутри коммутационная плата, на ней видно, где общий провод.
Разработал и протестировал вот такую схему:
Кстати, эту схему на логике можно использовать и для обычного энкодера, я её и отрабатывал на нём.
Для сборки понадобятся 8 элементов «2И-НЕ», я использовал два чипа 74HC00.
Элемент U2A, диод, конденсатор и U2B создают короткий импульс в момент положительного фронта. Элемент U6D, U4D и U2D — мультиплексор, который пересылает этот испульс либо на один, либо на другой светодиод.
Разумеется, этот же функционал можно сделать на единственном микроконтроллере, но это далеко не для всех доступно и удобно. Всё-таки элементы 2И-НЕ можно найти где угодно, в т. ч. советские (74хх00, К155ЛА3, К555ЛА3).
Последние два инвертора (U5D и U3D) можно выкинуть, ведь ничто нам не мешает подключить светодиоды не к земле, а к плюсу питания. Если крепко пошевелить мозгом, схему можно было бы ещё упростить, но эту задачу оставляем на будущее.
Печатки нет, поскольку всё собиралось только на макетке.
↑ Недостатки схемы и их преодоление
↑ Видео в работе
Жалко, что видео не передает тактильные ощущения на валу!
↑ Итого
В целом работа энкодера меня устраивает. Крутить такую «ручку громкости» необычно приятно.
Работа над устройством будет продолжена.
Спасибо за внимание!
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
Сага о абсолютном энкодере и шаговом двигателе
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Давно я тут не писал постов про принтеры и электронику, но тут назрела тема использования абсолютного энкодера и попытке сделать вменяемое упралвение шаговым двигателем с рассчётом на точность позиционирования (не путать с повторяемостью).
В итоге я остановился на втором варианте, так как его разрешения хватает что бы легко ловить повороты даже для двигателя в 400 шагов на оборот при 32 микрошаге (а это получится примерно так 360/(400*32)
0.028125 градуса), хотя это уже и экстремальный вариант.
Дальше у меня возникла идея проверить насколько точно шаговик встаёт по шагам. Для этого в управляющей плате принтера (которая тоже stm32 но пожирнее) были выставлены виртуальные 80 steps/mm для оси X (в принципе это значение стандартное для 20 зубой шпули для GT2) а драйвер двигателя был выставлен в 16 микрошаг (двигатель у меня 1.8 градуса, 200 шагов на оборот, и как следствия с 16 микрошагом каждый шаг соответсвует 360/(200*16) = 0.1125 градуса, запомним эту цифру). Я решил посмотреть как у нас зависит точность выставления угла поворота от скорости принтера (а как следствие и точность).
В итоге получилось довольно занятная картинка:
0.7 градусов (что примерно 7 шагов при дроблении 1/16, или если пересчитать в мм то это будет
Но это если речь идёт о повторяемости а не о точности. А это разные понятия. Так что теперь поговрим про точность. Будем считать, как это далают прошивки большниства принтеров, что перемещение на один микрошаг у нас всегда одианково (в данном случае это 0.1125 градуса или 0.0125 мм если у нас 80 шагов на мм). Посмотрим насколько это так.
То что мы видим при скорости 10мм/с (да довольно медленно)
Теперь посмотрим что будет если шаговик пойдёт немного быстрее 25 мм/с
Картинка в целом не поменялась, но ошибка позиционирования возросла (разница между реальным и идеальным положением)
Видно что позиционирование стало ещё хуже.
Всё поплыло ещё дальше.
Ошибка осталась на прежнем уровне (tmc2130 перешел в другой режим работы)
Что из всего этого следует?
Если хочется повышать качество печати, то надо слегка поменять подход к позиционирования шаговика в прошивках (позицоинирование у него не линейное, и это надо учитывать). По идее надо сделать умный closed-loop шаговик, которые будет в состоянии корректировать нелинейности при перемещении.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Шаговые двигатели с энкодером Комментировать
Использование шаговых двигателей в комплекте с энкодерами позволяет создавать на простой схеме, включающей в себя непосредственно шаговый двигатель и контроллер шагового двигателя полноценный сервопривод, который, при высокой функциональности и надёжности, будет значительно более дешёвым и простым в управлении, чем сервопривод на основе бесколлекторного двигателя. Совмещающий в себе все основные преимущества ШД с простотой настроек и обслуживания, такой сервопривод отличается высокой точностью позиционирования и полностью удовлетворяет потребностям широкого круга пользователей устройств такого типа, от моделистов до операторов станочного оборудования.
Преимущества сервоприводов на базе шаговых двигателей
Поскольку шаговый двигатель изначально отличается высокой точностью позиционирования (200 или 400 шагов на оборот +-5%), что является одним из основных его конкурентных преимуществ, традиционно считается, что установка энкодера на двигатель такого типа не является необходимостью. Однако практика доказывает, что даже при использовании самого надёжного контроллера возможен пропуск шагов, который может стать следствием целого ряда причин, таких, как:
– повышенная нагрузка;
– поперечная нагрузка;
– высокий резонанс;
– некорректное генерирование импульсов контроллером и т.д;
По сути, при использовании схемы ШД+контроллер даже такие незначительные неполадки, как перебои в подаче питания контроллеру могут стать причиной серьёзного сбоя: система управления теряет точку отсчёта, и, в отсутствии обратной связи, возвращение шагового двигателя к изначальному положению становится невозможным.
Использование шагового двигателя с энкодером позволяет решить вышеотмеченную проблему: при пропуске шагов или перебоях питания с помощью энкодера осуществляется возврат ШД к нужной точке, что позволяет продолжить корректную работу оборудования по заданной программе. Кроме того, применение энкодера позволяет дополнительно повысить точность позиционирования шагового двигателя, поскольку разрешающая способность энкодеров может достигать 2000 импульсов на оборот. Благодаря этим преимуществам сервоприводы на основе шаговых двигателей довольно часто применяются в сложном станочном оборудовании.
Купить шаговый двигатель с энкодером в Stepmotor
В каталоге Stepmotor представлен широкий выбор шаговых двигателей и энкодеров, что позволяет подобрать наилучшим образом подходящий сервопривод на основе ШД для оборудования любого типа. Если вы решили купить ШД с энкодером в наличии по доступной цене на нашем сайте, внимательно ознакомьтесь с характеристиками интересующих вас устройств и непременно убедитесь в том, что подобранные вами устройства совместимы. При возникновении вопросов по подбору оборудования, вы всегда можете проконсультироваться у технического специалиста по телефонам 8 800 5555 068 — по России (звонок бесплатный), в Москве +7 (495) 308-38-48, в СПб +7 (812) 953-07-32) или воспользовавшись формой обратной связи.
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.
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. 
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:
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:
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.
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:
Отдельное внимание важно уделить еще одному параметру — моменту. Он бывает нескольких видов:
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:
Если питание шагового двигателя осуществляется от одинакового драйвера, в отношении упомянутых выше схем можно выделять ряд особенностей:
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:
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:
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:
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):
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:
К основным моделям можно отнести:
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:
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:
При использовании такого драйвера можно не бояться задержек в работе при сохранении максимального быстродействия.
К популярным моделям можно отнести:
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.
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 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.
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):
Особенности второго драйвера FAN 8082 (для второй схемы):
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:
Устройства с червячным мотором отличается простой конструкцией и сравнительно небольшой ценой. При выборе необходимо учесть коэффициент редукции, габариты и будущий режим использования.
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:
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.
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:
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.