Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №10

Шаговый электродвигатель

(Википедия)

Шаговый электродвигатель — это синхронный безщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твердого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. Двигатели с магнитным ротором называют гибридными.

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удается снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом, можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10–20 раз.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока в широком диапазоне напряжений.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задается последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков вращения.

Главное преимущество шаговых приводов — низкая цена, в среднем в 1,5–2 раза дешевле сервоприводов. Шаговый привод как недорогая альтернатива сервоприводу наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Параллельный порт является великолепным интерфейсом, позволяющим подключать к персональному компьютеру множество самых различных устройств. Однако он может быть легко поврежден, поэтому при его использовании для подсоединения самодельных внешних устройств нужно быть очень внимательным. Если вы не уверены в том, что вы все делаете правильно, сначала проконсультируйтесь у специалистов и только потом экспериментируйте.

Ниже приводится краткое описание параллельного порта.

Параллельный порт имеет несколько линий ввода/вывода, которые могут быть разделены на две группы — линии передачи данных и линии сигналов управления. Линии передачи данных — двунаправленные (разумеется, речь идет о режимах ЕСР/ЕРР), и именно их мы и будем использовать. В табл.1 описано назначение выводов разъема порта LPT.

Для эксперимента был использован шаговый двигатель от старого 5,25-дюймового дисковода модели FD-55GFR фирмы Теас. У этого двигателя оказалось пять выводов. В большинстве источников описываются шаговые двигатели, имеющие шесть выводов. Существуют также описания 4-выводных шаговых двигателей, у которых не подключены средние выводы и которые требуют двухполярного напряжения для управления. Поиск в Интернете дал ответ: этот шаговый двигатель похож на шаговые двигатели с шестью выводами, но две обмотки у него соединены в одной точке, и наружу выведен один провод, подсоединенный к ним. Для более подробного знакомства с шаговыми двигателями можно посетить страницу в Интернет по адресу: www.HowStuffWorks.com, задав поиск для шаговых двигателей (страница на английском языке — прим. переводчика).

Процесс извлечения двигателя из дисковода несложен — требуется всего лишь отвернуть несколько винтов. К валу двигателя с помощью винтика прикреплена тонкая металлическая полоска, нужно соблюдать осторожность, чтобы не порезаться об нее в процессе ее извлечения.

После извлечения шагового двигателя следует убедиться, что он исправен.

Простейший способ это сделать — замкнуть все выводы двигателя между собой и попробовать повернуть его вал. Вал должен проворачиваться с трудом, по сравнению с тем, как он проворачивается при разомкнутых выводах. Также с помощью тестера можно проверить целостность обмоток двигателя. Выводы каждой из обмоток следует пометить. Идентифицировать выводы шагового двигателя можно следующим способом:

1. Подсоедините вывод любой обмотки двигателя к выводу питания +12 В, а к другому выводу этой обмотки — общий провод. Вал должен провернуться на небольшой угол. Пометьте первый вывод цифрой 1.

2. Оставьте эти два вывода в одном месте. Теперь подключите выводы других обмоток к источнику питания 12 В. Обратите внимание, что эти два вывода заставляют шаговый двигатель поворачивать вал на небольшой угол в другую сторону. Отметьте один из них номером 2, другой — номером 4.

3. Оставшийся вывод обозначьте номером 3.

Для управления шаговым двигателем можно использовать микросхему драйвера ULN2003, которая содержит семь мощных транзисторных ключей, собранных по схеме Дарлингтона. Каждый ключ способен управлять нагрузкой с током потребления до 500 мА. Микросхема имеет резисторы в цепи базы, что позволяет напрямую подключить ее входы к обычным цифровым микросхемам. Все эмиттеры соединены вместе и выведены на отдельный вывод. На выходах транзисторных ключей имеются защитные диоды, что позволяет управлять с помощью этой микросхемы индуктивными нагрузками при минимуме внешних компонентов. В нашей конструкции использовано только четыре транзисторных ключа. Электрическая схема подключения шагового двигателя показана на рис. 2.

Обратите внимание, что первый вывод шагового двигателя, идентифицированный с помощью описанной ранее процедуры, подсоединен к линии DO параллельного порта (разумеется, через микросхему ULN2003). Каждый следующий вывод подсоединен к соответствующему выводу параллельного порта. Если порядок подключения выводов шагового двигателя неверный, вал мотора будет не вращаться, а лишь поворачиваться на небольшой угол из одной стороны в другую и наоборот. Общий провод схемы подсоединен к источнику питания не напрямую, а через стабилитрон. Это сделано с целью защиты схемы от напряжения ЭДС самоиндукции, возникающего в катушках при резком выключении напряжения питания схемы.

Программа, разработанная для описываемого устройства, достаточно проста. Она управляет выводами порта и формирует на них специальную последовательность импульсов. Эта последовательность показана в табл. 2 и 3.

Различие между алгоритмами (полным и половинным углом поворота вала на один шаг) состоит в том, что во втором случае скорость вращения оказывается в два раза ниже, при этом в два раза уменьшается угол поворота вала двигателя на каждом шаге, т. е. увеличивается разрешающая способность системы. Также во втором случае примерно в два раза увеличивается потребляемая мощность, и кроме того, двигатель способен развивать в два раза больший крутящий момент.

Для изменения направления вращения вала двигателя необходимо формировать указанные последовательности в обратном порядке.

Ниже приведен короткий пример программы для Turbo С, работающей в операционной системе MS-DOS. Эта программа заставляет шаговый двигатель вращаться в прямом направлении, в режиме полного угла на один шаг.

Полная программа, написанная на MFC, с удобным графическим интерфейсом, находится по адресу: http://wiredworld.tripod.com/binaries/stepper_drive.zip. Она может управлять двигателем в режиме полного и половинного угла поворота вала на один шаг, в прямом и обратном направлении, в режиме постоянного вращения вала двигателя и одиночных шагов. Кроме того, можно включать и выключать различные обмотки двигателя.

_{Перевод с английского Михаила Голубцова}

_{Источник: http://wiredworld.tripod.com/tronics/stepper.html}