Шаговые двигатели относятся к бесщеточным устройствам. Изготавливаются они с несколькими обмотками. Основными параметрами устройств можно назвать пороговое напряжение и количество полюсов. Также модели различаются по показателю сопротивления обмотки. Однофазные модификации изготавливаются с зубчатыми статорами. Магниты чаще всего используются цилиндрического типа.

Для ЧПУ шаговые двигатели подходят идеально. Однако в данном случае многое зависит от оборудования. В частности, модификации устанавливаются на принтерах, станках и лазерных резаках. Также их можно встретить на приводах. Однако это касается только линейных конфигураций. Стоит в среднем качественный шаговый двигатель в районе 4500 руб.

Как выбрать двигатель?

Как подобрать для ЧПУ? В первую очередь следует определиться с типом модификации. Если рассматривать варианты для станков, то на них часто используются двухфазные модели. Магнитопроводы у них устанавливаются с хорошей проводимостью тока. Непосредственно роторы применяются из стали. Чашки для статоров выполнены с выступом.

В данном случае обмотки используются из магнитно-мягкого материала. Статоры в представленных устройствах применяются с зубцами. Показатель удержания обязан составлять не менее 3 кг/см. Параметр сопротивления обмотки зависит от типа ЧПУ. Если говорить про модификации с контролером, то вышеуказанный показатель обязан равняться 7 Ом.

Устройства для станков

Как подобрать для Если рассматривать обычную фрезерную модель, то в первую очередь важно обращать внимание на тип вала. В среднем он устанавливается с диаметром в 5 мм. В данном случае статор обязан находиться над ротором в чашке, а непосредственно ток обмотки должен равняться 2 А. Для более стабильной работы двигателя применяются магнитопроводы с высокой проводимостью.

Также перед покупкой следует оценить индуктивность обмотки. Указанный параметр у двигателей колеблется в районе 6 мГн. В данном случае драйверы для устройств должны быть биполярного типа. Стоит в среднем шаговый двигатель для ЧПУ станка в районе 3 тыс. руб.

Модели для приводов

Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ привода? В данном случае многие потребители отдают предпочтение двухфазным модификациям. Статоры у них чаще всего встречаются зубчатые. По типу ротора модели довольно сильно отличаются. Часто они делаются из шихтовой стали. В среднем диаметр вала равняется 5.5 мм. Угол шага моделей для приводов составляет 1.2 градуса. Ток обмотки в данном случае должен равняться минимум 3 А. Если рассматривать однофазные модификации, то драйвер для двигателей подходит однополярного типа.

Сопротивление обмотки в среднем колеблется в районе 5 Ом. Также важно обращать внимание на пороговое напряжение двигателей. Данный параметр, как правило, не превышает 6 В. Однако есть и более мощные модели на рынке. Максимальная индуктивность обмотки у них равняется 10 мГн. При этом показатель токовой перегрузки находится на уровне 4 А. Обойдется качественный шаговый двигатель для привода в районе 4500 руб.

Двигатели для принтеров

Выбор шагового двигателя для ЧПУ принтера производится только среди трехфазных модификаций. Статоры целесообразнее подбирать зубчатого типа. Магнитопроводы должны иметь высокую проводимость тока. Благодаря им обороты двигатель будет набирать плавно. Если говорить про параметры, то момент удерживания модификаций для принтеров в среднем равняется 4 кг/см. Непосредственно пороговое напряжение колеблется в районе 10 В.

Минимальная индуктивность обмотки обязана составлять 8.5 мГн. Угол шага устройства должен быть на уровне 1.3 градуса. Магниты в представленных модификациях часто используются постоянные и по форме являются цилиндрическими. устройств зависит от типа ротора. Для однополярных драйверов модели на рынке встречаются довольно редко. Купить хороший двигатель для принтера пользователь способен по цене от 3 тыс. руб.

Модификации для лазерных резаков

Какой выбрать двигатель для Многие специалисты в этой ситуации отдают предпочтение моделям на 10 В. Чаще всего они изготавливаются со статорами зубчатого типа. Магнитопроводы у них проводимость имеют довольно высокую. Непосредственно роторы в двигателях располагаются в специальных чашах. Модификации двухполюсного типа на рынке встречаются редко.

В среднем угол шага у моделей не превышает 2 градуса. Предельную токовую нагрузку устройства выдерживают на уровне 5 А. Максимальная индуктивность обмотки зависит от количества шагов за оборот. Диаметр вала в двигателе должен составлять 5.5 мм. На сегодняшний день качественные устройства для резаков продаются по цене от 4 тыс. руб.

Однофазные модификации

Однофазные модели больше всего подходят для В среднем показатель угла шага у них равняется 2.5 градусов. Максимальную индуктивность устройства выдерживают в 7 мГн. По количеству шагов за оборот модели довольно сильно отличаются. На рынке представлено множество модификаций на 5 и 10 В. Передаточное число у них примерно составляет 1:54.

Двухполюсные модификации способны похвастаться высокой проводимостью тока. Роторы чаще всего устанавливаются из шихтовой стали. Чашки под них делаются с выступами разной длины. Приобрести в магазинах набор шаговых двигателей для ЧПУ на 5 В можно за 4500 руб.

Двухфазные устройства

Двухфазный двигатель подходит хорошо для принтеров. По мощности модели довольно сильно отличаются. Модификации для однополярных драйверов выделяются повышенной проводимостью тока. Показатель порогового напряжения у них в среднем равняется 5 В. Ротор стандартно располагается в чашке. Валы у моделей устанавливаются диметром от 5 мм. Угол шага в представленных конфигурациях не превышает 2 градуса.

Ток обмотки в данном случае равняется 4.5 А. Непосредственно момент удержания двигателя зависит о магнитопровода. Если рассматривать модели с высоковольтной обмоткой, то этот параметр составляет в среднем 3 кг/см. Передаточное число устройств не превышает 1:60. Сопротивление обмотки в среднем равняется 8 Ом. На статоре в представленных модификациях для подключения предусмотрено четыре вывода. Контроллер шагового двигателя для ЧПУ встречается только биполярного типа. Стоит хорошая двухфазная модификация около 5 тыс. руб.

Трехфазные модели

Трехфазный двигатель часто используется для линейных приводов. Показатель порогового напряжения у него колеблется в районе 5 В. Модификации с зубчатыми статорами попадаются на рынке довольно часто. Магнитопроводы у этих моделей показатель проводимости тока имеют на уровне 6 мк. Роторы делаются, как правило, из шихтовой стали. Угол шага у моделей не превышает 2.4 градуса. Момент удержания в данном случае зависит от проводимости магнитопровода. В среднем указанный параметр колеблется в районе 4 кг/см.

Передаточное число моделей равняется 1:63. По параметру сопротивления обмотки устройства сильно отличаются. Показатель минимальной индуктивности двигателей равняется 8.5 мГн. Изготавливаются устройства на четыре и шесть выводов. Купить трехфазную модификацию на рынке можно всего за 5 тыс. руб.

Двигатели с драйвером ULN2003

Шаговый двигатель для ЧПУ данного типа используется для Ротор у него сделан из шихтовой стали. Непосредственно чашка ротора изготавливается с высоким выступом. Магнитопровод установлен с проводимостью тока на уровне 4 мк. Статор в устройстве находится зубчатого типа, а обмотка на нем предусмотрена низковольтная. Угол шага в данном случае равняется 2.3 градуса. Модификаций двухфазного типа на рынке имеется много. Показатель сопротивления обмотки у них не превышает 8 Ом. Параметр минимальной индуктивности составляет 10 мГн. Купить модель данного типа можно за 3500 руб.

Модификации на 5 В

Шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В может изготавливаться с однополярным и биполярным драйвером. Магнитопроводы в устройствах используются различные. Показатель проводимости тока у них в среднем равняется 5.5 мк. Чашки статора чаще всего делаются с выступами. Таким образом, вал обороты набирает плавно. Угол шага моделей в среднем не превышает 1.2 градуса.

Предельный ток обмотки устройства выдерживают на уровне 6 А. Показатель момента удерживания двигателей составляет в среднем 2 кг/см. При этом минимальная индуктивность обмотки не превышает 6 мГн. Стоит хороший шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В районе 4200 руб.

Двигатели на 10 В

Шаговый двигатель для ЧПУ на 10 В часто подбирается для принтеров, которые работают на однополярных драйверах. В данном случае выводов в устройствах предусмотрено четыре. Непосредственно проводимость тока колеблется в районе 6 мк. Максимальный угол шага в устройствах равняется 2.5 градуса. Показатель индуктивности обмотки составляет минимум 8 мГн.

Также следует отметить, что представленные конфигурации могут применяться для работы с линейными приводами. Статоры в устройствах используются чашечного типа. Магниты подходят лишь постоянные. По форме они делаются цилиндрического вида. Момент задерживания двигателей на 10 В в среднем составляет 4.5 кг/см. Приобрести хорошую модель для принтера в специализированных магазинах можно по цене 5 тыс. руб.

Шаговые электродвигатели можно встретить в устройстве автомобильных приборных панелей, принтеров, приводов CD-дисков, электрических инструментов, в общем – везде, где необходима повышенная точность позиционирования. Но наибольшую известность ШД получил в станках с ЧПУ.

Но почему этот механизм именуется именно так – «шаговый двигатель»? Если описывать его в двух словах, то он представляет собой бесщеточный синхронный мотор с несколькими проволочными обмотками. Электрический ток подается в одну из обмоток статора (неподвижного элемента) и таким образом фиксирует ротор (подвижную часть) в определенной позиции. Затем ток поступает в другую обмотку и ротор совершает новое движение. Такая последовательная смена позиции именуется «шаг». И именно благодаря этому принципу работы Шаговый Электродвигатель получил свое название.

Устройство и виды ШД

На сегодняшний день различают три основных типа шаговых двигателей:

Следует отметить, что микрошаг возможен только в гибридных ШД. Каждый микрошаг осуществляется посредством независимого управления обмотками. При помощи управления соотношением токов ротор может фиксироваться даже на промежуточном участке между двумя соседствующими шагами. Это повышает плавность вращения подвижного элемента и позволяет добиться оптимальной точности позиционирования. Количество шагов в этом режиме может достигать даже 51 200 за один оборот.

Многие любители задаются вопросом: почему выбрана именно зубчатая форма ротора? Ответ прост: в целях получения периодической зависимости обмотки статора от углового положения ротора. Зазор между пазами делается намного большим, чем между зубцами. Это позволяет обеспечить более низкую магнитную проводимость зазоров относительно удельной проводимости зубцов. В противном случае, шаговый двигатель просто не смог бы функционировать. Очевидно, что именно совокупность всех его конструктивных особенностей, а также форм и состава элементов позволяют ШД быть полноценным механизмом, а не просто куском металла.

Кроме того, в зависимости от типа обмоток, ШД подразделяют на:

• биполярные . Они обладают по одной обмотке для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля в них обеспечивается посредством переплюсовки драйвером – двухполярным полумостовым или мостовым;
• униполярные . Такой шаговый двигатель также обладает по одной обмотке в каждой из фаз, но при этом от середины любой отдельной обмотки делается отвод. Таким образом направление поля можно менять посредством переключения используемой половинки обмотки. Драйвер должен содержать лишь четыре ключа, так что он проще, чем в биполярном моторе.

Характеристики ШД

В технической документации к шаговым двигателям вы можете встретить такой перечень характеристик:

1. Крутящий момент или момент вращения . Измеряется в килограмм-сила-сантиметрах. Часто к этому пункту прилагается график, в котором выражается зависимость вращательного момента от частоты вращения. Чем выше этот показатель, тем быстрее мотор набирает обороты при включении.
2. Удерживающий момент . Он показывает, с какой силой статор может блокировать ротор, когда двигатель включен, но не запущен. То есть это параметр крутящего момента при нулевой скорости. По графику он снижается прямо пропорционально повышению скорости вращения. Измеряется данный показатель в унциях-на-дюйм. Удерживающий момент в мере, указанной производителем, мотор может продемонстрировать лишь в статическом режиме, при условии, что полный ток подается сразу в две фазы.
3. Тормозящий момент . Это величина силы, удерживающей ротор от вращения в условиях отсутствия подачи тока. То есть, сила фиксации ротора при выключении. Также его именуют стопорный момент. В гибридных ШД он составляет не более десятой части от величины силы, удерживающей ротор от проворачивания при полной подаче тока. Данная характеристика измеряется в тех же единицах, что и удерживающий момент.
4. Номинальное напряжение . Этот показатель напрямую зависит от индуктивности обмоток и позволяет определить оптимальное напряжение, которое следует подавать в двигатель. Лучшее напряжение, подходящее для вашего ШД находится в диапазоне от 4 до 25 значений от номинального. Если вы превысите силу подаваемого тока, то мотор будет перегреваться, что приведет к его поломке. А если напряжения будет недостаточно, то он просто не запустится. Эта характеристика указывается в Вольтах. Для вычисления оптимальной силы тока используется специальная формула U = 32 x√ L, где L– это индуктивность обмотки, а U – искомое значение.
5. Отдельно указывается результат проведения диэлектрических испытаний, в ходе которых было определено максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка в течение определенного отрезка времени. Этим показателем определяется прочность двигателя, то, насколько успешно он может сопротивляться перегрузкам.
6. Момент инерции подвижной части мотора . Определяет скорость разгона ШД. Данная величина измеряется в грамм-квадратных сантиметрах.
7. Количество шагов за один оборот (учитываются только полные шаги, половинчатые значения не берутся во внимание). Чем больше шагов, тем мощнее и быстрее двигатель.
8. Длина и масса . Имеется в виду именно длина корпуса, без учета вала. А вот в параметре «вес» указывается общая масса изделия. От габаритов и массы зависит, в каких условиях может использоваться двигатель. В одних случаях нужен компактный мотор, а в других подойдет только более крупный и мощный.

Рассмотрим на примере шаговый двигатель nema. Двигатель PL57H41, что обозначает ширину-высоту (диаметр) по квадратному фланцу 57мм — PL57. Длина двигателя, без вала 41мм — H41. Крутящий, удерживающий и другие моменты двигателя больше зависят от диаметра, чем от длины двигателя.

Характеристики PL57H110

PL57H110	L, мм	131	Индуктивность фазы, мГн	6.0±20%
	Угловой шаг, °	1.8±5%	Сопротивление фазы, Ом	1.0±10%
	Число фаз	2	Момент удержания,кгхсм	28
	Сопротивление изоляции, МОм	100	Момент инерции,г х см 2	405
	Температура окруж. среды, °С	-20~40	Масса, кг	1.7
	Рабочая температура, °С	110 max	Количество валов	1
	Ток фазы,А	4	Тип
			Размер шпоночного паза, мм

Характеристики PL86H113

PL86H113	L1 ±1, мм	113	Сопротивление фазы, Ом	1.0±10%
	L2±1, мм	35	Момент удержания, кг х см	1″
	L3 , мм	148	2	2700
	Угловой шаг, °	1.8±5%	Количество валов	1
	Число фаз	2	Масса, кг	3.5
	Сопротивление изоляции, МОм	100	Радиальное биение вала двигателя (нагрузка 450г.)
	Температура окруж. среды, °С	-20-40
	Рабочая температура, °С	110 max	Индуктивность фазы, мГн	6.3±20%
	Ток фазы, А	4.2

Подключение, драйверы и инкодеры

Как правило, управление шаговыми моторами осуществляется посредством специальных драйверов, подключаемых к LTP-порту компьютера. Драйвер принимает генерируемые программой сигналы и трансформируют их в команды двигателю, передаваемые посредством подачи тока на обмотки. Программное обеспечение может регулировать траекторию, величину, скорость и величину движения.

Драйвер является блоком управления шаговым двигателем. В станках ЧПУ управляющие сигналы формируются на ЧПУ контроллерах, поэтому к драйверу подключают 4 вывода шагового двигателя, управляющие провода с контроллера ЧПУ (обычно 4 провода) и питание + и — с блока питания. Сигналы с контроллера поступают в драйвер, где уже они управляют переключением ключей силовой схемы питающего напряжения, идущего с блока питания, через эти ключи на двигатель.

Подбирать драйвер следует по максимальному выдаваемому току нужного напряжения на выводы, для обмоток двигателя. Ток выдаваемый драйвером должен быть, либо таким же, какой будет потреблять двигатель, либо выше. На драйвере есть переключатели, с помощью которых можно выставить желаемые параметры выходного напряжения и не сжечь двигатель.

Порядок подключения шагового двигателя к общей цепи зависит от того, сколько проводов в вашем приводе и как именно вы хотите использовать ШД. Моделей существует очень много и ля каждой из них существует своя схема подключения. Количество проводов в двигателе может варьироваться в диапазоне от четырех до шести. Четырехпроводные моторы используются исключительно с биполярными механизмами.

Каждым двум обмоткам соответствует два провода. Чтобы определить необходимые пары и связь между ними, вам пригодится метр. Самыми мощными считаются шести-проводные двигатели. В них для каждой отдельной обмотки предусмотрен центр-кран и два провода. Такой ШД можно подключать и к биполярным, и к униполярным аппаратам. Вам понадобится специальный измерительный прибор, чтобы разделить провода. Для однополярных устройств используйте все шесть проводов. Для биполярных достаточно одного центрального крана и провода для одной обмотки.

Центр-кран это обыкновенный провод, который еще называют «средним» или «центральным». Он есть в некоторых видах шаговых двигателей. В униполярных двигателях для каждой обмотки предусмотрено три провода. Два из них предназначены для подключения к транзисторам. А средний, то есть центр-кран, необходимо подключать к источнику напряжения. То есть, если вам не нужно подключать транзисторы, вы можете просто проигнорировать два боковых провода.

Пяти-проводные ШД схожи с шести-проводными, однако в них центральные провода выведены в один общий кабель, вместе с остальными. Без разрывов вам не удастся разделить между собой обмотки. Лучше всего обнаружить средний провод и соединить его с другими проводниками – это будет эффективным и самым не опасным вариантом.

Часто с ШД используются и энкодеры. Они являются просто датчиками, задача которых заключается в подаче сигналов программному обеспечению. Многие специалисты считают, что в большинстве случаев сочетать шаговый двигатель с энкодерами не имеет смысла и является неэффективной тратой денег. Но если имеет место быть нелинейная зависимость движения от количества шагов, когда необходимо построить пятую координату, энкодер будет незаменим. Он поможет с большей легкостью отслеживать углы поворота стола, что сэкономит время, избавив от необходимости применять более сложные методы.

Сферы применения, плюсы и минусы

Особое распространение ШД получили в высокотехнологической и тяжелой промышленности. Благодаря тому, что они являются весьма недорогостоящими, а устроены они довольно просто, спрос на них не угасает даже в 21-м веке. Часто вы можете обнаружить их в станках ЧПУ, роботизированной технике, на устройствах автоматизации (подача, дозировка, механизмы автоматической сварки и сборки и так далее).

Особо популярны шаговые двигатели в конструкциях координаторных столов и станков ЧПУ. Благодаря низкой стоимости программного обеспечения, необходимого для их функционирования, ШД являются незаменимыми в производственном секторе, в панелях управления, программирования и постановки задач и в других элементах механизмов.

Шаговые двигатели часто используются периферийных элементах ЭВМ, печатных станках и приборах, фрезерных станках и чертежных автоматах, системах контроля и управления, перфораторах, считывателях лент.

С ШД по популярности конкурируют серводвигатели, которые могут выполнять аналогичные функции в тех же условиях, что и шаговые моторы.

Достоинства шаговых двигателей в сравнении с серводвигателями:

1. Исправно функционируют при большом диапазоне нагрузок.
2. Фиксированный угол поворота, стандартизированные размеры мотора.
3. Невысокая стоимость.
4. Простота установки и применения, надежность, долговечность.
5. При слишком высоких оборотах двигатель не сгорает, а пропускает шаги.

Основные недостатки ШД по сравнению с серводвигателями:

1. Низкий КПД. Высокое потребление энергии вне зависимости от нагрузки.
2. Резкое снижение крутящего момента при увеличении частоты оборотов.
3. При таких размерах и массе мощность ниже ожидаемой.
4. В процессе работы мотор сильно нагревается.
5. Высокий уровень шума на высокой и средней частотах.

12

Домашний CNC. Часть 1. Драйвер шагового двигателя для мини-станка с ЧПУ

При конструировании очередного станка с ЧПУ, а попросту 3-х осевого фрезерного-сверлильного станочка для печатных плат и мелких фрезерных работ, у меня появилось неугомонное желание разложить всё «по полочкам».
Многие скажут, что тема не нова, существует множество проектов, множество технических и программных решений. Но, плавая в этом море информации, я постарался убрать всю «воду» и получить «сухой остаток».
Вот что из этого получилось…

Задача построения станка обычно сводится к трем подзадачам - механика, электроника, программное обеспечение. Видимо и статьи придется писать тоже три.
Поскольку у нас журнал всё-таки практической электроники, начну с электроники и чуть-чуть с механики!

Привод

Нужно двигать собственно фрезер в 3-х направлениях - XYZ, значит нужно 3 привода - 3 мотора с передачей вращения вала двигателя в линейное перемещение.
О передаче…
Для фрезерного станка, где есть боковые усилия резания материала, желательно не применять ременные передачи, очень популярные в 3D принтерах. Буду применять передачу «винт-гайка». Самая бюджетная передача - обычный стальной винт и безлюфтовая, желательно бронзовая, гайка. Более правильная - винт с трапециевидной резьбой и гайка из капролона. Самая хорошая (и, увы, самая дорогая) шарико-винтовая пара, или ШВП. Об этом подробнее я еще расскажу далее…
У каждой передачи есть свой коэффициент, свой шаг - то есть насколько линейно по оси переместится фрезер за один оборот двигателя, например, на 4 мм.

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.

Выбираем шаговый двигатель

2 обмотки, с минимальным током, минимальной индуктивностью и максимальным моментом - то есть максимально мощный и экономичный двигатель.

Противоречивые требования. Малый ток - значит большое сопротивление, значит много витков провода обмотки двигателя, значит большая индуктивность. А большой момент - это большой ток и много витков. Выбираем в пользу большего тока и меньшей индуктивности. А момент надо выбирать исходя из нагрузки, но об этом потом.

Характеристики некоторых двигателей приведены в таблице:

Для небольшого станка с рабочим пространством размером 300×300х100 мм и легким фрезером вполне сгодятся двигатели с крутящим моментом 0,3Нм и выше. Оптимальным является ток от 1,5 до 2,5 Ампер, вполне подойдет FL42STH38-1684

Драйвер шагового двигателя

Двигатель есть. Теперь нужен драйвер - переключать напряжение на обмотках двигателя определенным образом, при этом не превышая установленный ток.

Самое простое решение - источник заданного тока и две пары транзисторных ключей на каждую обмотку. И четыре защитных диода. И логическая схема чтобы менять направление. И… Такое решение обычно делают на микросхеме ULN2003A для двигателей с малым током, имеет много недостатков, не буду на них останавливаться.

Альтернатива - специализированные микросхемы «всё в одном» - с логикой, транзисторами и диодами защиты внутри (или снаружи). А еще такие микросхемы контролируют ток обмоток и регулируют его с помощью ШИМ-а, а так же могут реализовывать режим «полушаг», а некоторые режимы 1/4 шага, и 1/8 шага и т. д. Эти режимы позволяют повысить точность позиционирования, повысить плавность движения и снизить резонанс. Обычно достаточно режима «полушаг», что позволит повысить теоретическую точность линейного позиционирования (в моем примере до 0,005 мм).

Что внутри микросхемы драйвера шагового двигателя? Блок логики и управления, источники питания, ШИМ со схемами формирования момента и времени коммутации обмоток, выходные ключи на полевых транзисторах, компараторы обратной связи - ток контролируется по падению напряжения на резисторах (Rs) в цепи питания обмоток. Ток двигателя задается опорным напряжением.

Для реализации этих функций существуют и другие схемные решения, например, с использованием микроконтроллеров PIC или ATMEGA (опять же с внешними транзисторами и защитными диодами). На мой взгляд, они не обладают значительным преимуществом перед «готовыми» микросхемами и я их в данном проекте использовать не буду.

Богатство выбора

На сегодняшний день есть достаточно много различных микросхем и достаточно много уже готовых плат и модулей драйверов ШД. Можно купить готовый, а можно «изобретать велосипед», тут каждый решает по-своему.

Из готовых - наиболее распространённые и недорогие драйверы на микросхемах Allegro A4988 (до 2А), Texas Instruments DRV8825 (до 2,5А).
Поскольку модули изначально разрабатывались для использования в 3D принтерах типа Rep-rap проекта Arduino, они не являются законченными модулями (например, им нужно еще питание логики (+5V), которое подается с так называемой рампы (Ramp).

Еще есть решения на DRV8811 (до 1,9 А), A3982 (до 2 А), A3977 (до 2,5 А), DRV8818 (до 2,5 А) DRV8825 (до 2,5 А), Toshiba TB6560 (до 3 А) и другие.

Поскольку мне интересно что-то сделать самому, плюс появилась возможность «попробовать на вкус» микросхемы Allegro A3982 и A3977, решил сделать пару драйверов самостоятельно.

Готовые решения на A4988 не понравились, прежде всего, из-за миниатюризации размеров печатной платы в ущерб хорошему охлаждению. Типовое сопротивление открытых транзисторов у A4388 при токе 1,5А 0,32+0,43 Ом, плюс 0,1-0,22 Ома «измерительный» резистор - получается около 0,85 Ом. А таких каналов два, и хотя и работают они импульсно, но 2-3 Ватта тепла надо рассеивать. Ну не верю я в многослойную плату и малюсенький радиатор охлаждения - в даташите нарисована плата гораздо больших размеров.

Провода мотора нужно сделать короткими, драйвер устанавливать рядом с двигателем. Существует 2 технических решения в звукотехнике: длинный сигнальный кабель к усилителю + короткие провода к акустической системе, или короткий сигнальный кабель к усилителю + длинные провода, а акустической системе. Оба решения имеют свои плюсы и минусы. С моторами - так же. Я выбрал длинные провода управления и короткие провода к мотору.

Управляющие сигналы - «шаг» (step), «направление» (dir), «включение» (enable), индикация состояния сигналов управления. Некоторые схемы не используют сигнал «Enable», но это приводит в режиме простоя к ненужному нагреву и микросхемы и двигателя.

Одно питание 12-24 вольта, источник питания логики (+5B) - на плате. Размеры платы - достаточные для хорошего охлаждения, двухсторонняя печать с большой областью «меди», возможность приклеить на микросхему радиатор (применяемой для охлаждения памяти видеокарт).

Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3982

Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 1,5А): 0,33+0,37 Ом

Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3977

Основные характеристики и блок-схема:

Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2,5 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 2,5А): 0,33+0,45 Ом

Схема и прототип

Проектировал в среде DipTrace. Драйвер A3982 включен по схеме из документации производителя. Включен режим «полушаг». Дополнительно для надежной работы сигналов управления и индикации применил микросхему логики 74НС14 (с триггерами Шмитта). Можно было сделать гальвано-развязку на оптронах, но для маленького станка я решил ее не делать. Схема на A3977 отличается только дополнительными джамперами режима шага и более мощным разъемом питания, пока в «железе» не реализована.

Печатная плата

Процесс изготовления - ЛУТ, двухсторонняя. Габариты 37×37 мм, крепеж - как у двигателей, 31×31 мм.

Для сравнения - слева мое творчество, справа драйвер на A4988.

Приведеные примеры расчета применимы не только к шаговым, но и к другим типам двигателей. При учете скорости нужно учитывать, что для шаговых двигателей указывается частота - шаги/сек.

Выбор шагового двигателя для грузоподъемной установки
Выбор шагового двигателя для транспортной тележки
Определение крутящего момента шагового двигателя в устройстве с использованием винтовых передач
Момент, требуемый от шагового привода в системе с вращающимися цилиндрами
Определение момента в механизмах с реечной передачей

Особенности работы ШД предъявляют весьма жесткие требования к согласованию параметров выбираемого двигателя с заданной нагрузкой. Это особенно актуально в разомкнутых системах дискретного привода, когда пропуск двигателем хотя бы одного управляющего импульса приводит к ошибке преобразования электрического сигнала управления в угол, который система исправить не в состоянии. Проверку на нагрев шаговых двигателей обычно не производят, так как они рассчитаны на длительный режим прохождения импульсов тока по обмоткам управления.

При выборе шагового двигателя, прежде всего, следует ориентироваться на потребляемую приводом (двигатель + блок управления) из сети мощность, величину напряжения питания, требуемый крутящий момент на выходном валу, скорость вращения вала и момент инерции нагрузки. Для одного и того же привода, при разных величинах напряжения питания, потребляемая мощность привода P=U*I (напряжение*ток) различается. Например, привод D5779 при напряжении питания 50В потребляет из сети 150Вт, при напряжении питания 30В – 90Вт. КПД шаговых приводов в диапазоне частот 1 - 5КГц, как и КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами составляет 80-90%.

Мощность на выходном валу привода P=M*ω (крутящий момент*угловая скорость). Очевидно, что мощность на выходном валу не может превышать потребляемую из сети мощность.

Закон сохранения энергии для системы, состоящей из двигателя и нагрузки на валу, повернувшейся на один полушаг, выглядит следующим образом:

M двигателя *φ=0,5*J*ω 2 + M нагрузки *φ + М магн *φ +М трения *φ

где φ - угол поворота

J – приведенный к валу момент инерции системы

ω – угловая скорость

M нагрузки – момент нагрузки

М магн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины M двигателя

М трения – момент трения в системе

Отсюда максимальная скорость, с которой может сделать первый шаг шаговый двигатель в системе с приведенным к валу моментом инерции J и нагруженный моментом M нагрузки:

ω =(2*φ*(M двигателя – M нагрузки – М магн – М трения)/J) 1/2

На практике необходимо также учитывать электрические переходные процессы в фазах двигателей, которые зависят как от напряжения питания и индуктивности фаз двигателей, так и от способа управления двигателем. Самыми динамичными являются двигатели с минимальной индуктивностью. Обычно стартовые частоты лежат в диапазоне 800-1000Гц (2-2,5 об/сек в полушаговом режиме). Исходя из этого для шагового двигателя, работающего в полушаговом режиме, величина ускорения не должна превышать 4рад/сек 2 .

Когда требуемый момент, определен, выбор шагового двигателя зависит от предпочтительных габаритов, присоединительных размеров, цены двигателя и блока управления для него.

Если блок управления уже есть (или выбран), необходимо, чтобы ток фазы шагового двигателя не превышал возможности блока управления. Также нужно иметь ввиду число выводов, которые можно подключить к имеющемуся блоку управления.

Шаговый двигатель понадобится любому человеку, который собрался самостоятельно собрать станок с ЧПУ. Главное – заранее определиться со сферой применения устройства. Наибольших усилий и показателей требует обработка цветных металлов, что отдельно учитывается при выборе шагового двигателя для ЧПУ.

Какие критерии определяющие для выбора?

Надо помнить о том, что, по сравнению с обычными двигателями, шаговые требуют более сложных схем для управления. А критериев не так уж много.

1. Параметр индуктивности.

Первый шаг – определение квадратного корня из индуктивности обмотки. Результат потом умножаем на 32. Значение, полученное в качестве итога, потом требуется сравнивать с напряжением источника, от которого питание идёт к драйверу.

Эти числа не должны отличаться друг от друга слишком сильно. Мотор будет греться и шуметь слишком сильно, если напряжение питания больше полученного значения на 30 и больше %. Если же он меньше, то, по мере нарастания скорости, крутящий момент убывает. Чем больше индуктивность – тем проще сохранить высокий крутящий момент. Но для этого надо подобрать драйвер, имеющий большое напряжение питания. Только в этом случае шаговой двигатель работает нормально.

1. График того, как крутящий момент и скорость зависят друг от друга.

Это позволит понять, насколько двигатель в принципе соответствует запросам и техническому заданию.

1. Параметры геометрического плана.

• Максимальный статический синхронизирующий момент.
• Момент по инерции у роторов.
• Ток внутри фазы по номиналу.
• Общее сопротивление фаз омического типа.

О разновидностях двигателей

Для станка используемая разновидность шаговых двигателей – параметр не менее важный, чем остальные. Каждая модель наделена своими особенностями.

1. Биполярные чаще всего применяются совместно с ЧПУ.

Главное достоинство – возможность легко выбрать новый драйвер, если старый выходит из строя. На малых оборотах при этом сохраняется высокое удельное сопротивление.

1. Трёхфазные.

Для них характерна высокая скорость. Актуальны, если именно данному параметру уделяют больше всего внимания в случае выбора.

1. Униполярные.

Это несколько видов биполярных двигателей, которые отличаются друг от друга и подбираются в зависимости от подключения обмотки.

Можно изучить готовые модели станков, предлагаемые текущим рынком. Благодаря подобному подходу выбор значительно упрощается. Главное – чтобы характеристики и размеры подходили к создаваемому проекту.

Об усилиях резания

Часто владельцы думают, что на надо сильно давить, иначе она будет неправильно работать. Это заблуждение, которое не соответствует истине. Важнее всего то, как правильно пользователь задаёт параметры рабочего процесса.

Не обязательно пользоваться сложными специальными формулами, чтобы понять, как правильно действовать. Это можно проверить и прямо голыми руками.

По поводу резонанса при средних частотах

Шаговые двигатели связаны с возникновением сильного резонанса. По сути, они работают, как маятник с подвешенным на пружине грузиком. Роль груза выполняет ротор, а поле с магнитной энергией – пружина. Собственные колебания имеют частоту, определяемую по двум показателям:

1. Инерция ротора.
2. Сила тока.

Резонанс появляется, когда разность между скоростью и фазностью момента достигает 180 градусов. Это означает, что присутствует соответствие скорости и изменений внутри магнитного поля. Движение становится быстрым при позиционировании по новому шагу. Крутящий момент падает из-за того, что больше всего энергии уходит, чтобы преодолеть инерцию.

Об энкодерах и драйверах, подключениях

Специальные драйверы нужны для того, чтобы управлять устройством. Они подключаются к LTP портам у персональных компьютеров. От программы идёт генерация сигналов, которые потом принимаются драйверами. После чего двигатель и получает определённые команды. Подача тока на обмотки позволяет организовать работу всего устройства. Программное обеспечение облегчает контроль:

• По двигательной величине.
• Для скоростей.
• По траекториям.

Драйвер – это блок, отвечающий за управление всем двигателем. Формирование управляющего сигнала происходит при участии специального контроллера. Что предполагает подключение к устройству сразу четырёх выводов шагового двигателя. С блока питания идёт энергия, отрицательная и положительная, она и соединяется с моторами для дальнейшей работы.

Максимум по току требуемого напряжения, идущего к выводам – главный фактор, на основании которого следует делать выбор. Ток, выдаваемый драйвером, может быть следующих типов:

1. Такой же, что потребляет двигатель.
2. Выше, чем упомянутое ранее значение.

Желаемые параметры по исходному напряжению выбираются при помощи специальных переключателей.

Шаговые двигатели могут иметь различный порядок подключения. Обычно он зависит от того, каким количеством проводов снабжён привод. Надо обратить внимание и на назначение устройства. На рынке выпускается множество моделей, и практически у каждой используется свой вариант подключаемой схемы. Внутри размещается до 4-6 проводов. Биполярные модули сопровождают стандартно именно варианты с четырьмя проводами.

Каждые две обмотки идут с двумя приводами. Нужно использовать обычный метр, чтобы не допустить ошибок. Шестипроводные двигатели отличаются максимальной мощностью. Это значит, что каждая обмотка сопровождается двумя проводами и одним центр-краном. Такие аппараты допускают два вида соединений:

1. С биполярными аппаратами.
2. С униполярными моделями.

Для разделения проводов так же применяются приборы измерения. Однополярные устройства предполагают, что используются все шесть проводов. В случае с биполярными можно взять всего один центральный кран вместе с проводами по одной обмотке.

Что ещё учесть?

Центр-краном называют обычный провод. Ещё для него используют обозначения «центральный», «средний». Часть моделей шаговых двигателей снабжаются подобными приспособлениями. Каждая обмотка идёт совместно с тремя проводами, когда речь идёт об униполярных вариантах. Два из них организуют соединение с транзисторами. Центр-кран или средний идёт прямо до источника питания или напряжения.

Два боковых провода вообще можно игнорировать, если транзисторы использовать не планируется.

Пяти- и шестипроводные модели во многом похожи друг на друга. Но внутри центральные провода выводятся в один общий кабель, вместе с остальными составляющими. Обмотки не удастся соединить друг с другом, если будут отсутствовать разрывы. Лучше всего именно средний провод соединять с другими проводниками. Тогда об эффективности и безопасности устройства можно будет не волноваться. Нужно просто брать подходящие детали.

Заключение

Подобрать подходящую модель двигателя для станка будет проще, если заранее изучить основные характеристики, а так же предложения на соответствующем рынке. Главное – обращаться к поставщикам, которые заслуживают доверия. Малейший брак и ошибка приведут к выходу из строя весьма дорогостоящих деталей.