Шаговый двигатель как сервомашинка

Тезисы:

• Правильное управление током двигателя (с пом. управления ориентацией поля) в шаговых приводах с обратной связью могут устранить проблемы среднечастотного резонанса, увеличить момент и снизить шум от двигателя

• Качественные шаговые гибридные сервоприводы не уступают сервоприводам на базе вентильных электродвигателей на низких скоростях вращения.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — прекрасно известный способ превратить электрическую энергию в точные -механические перемещения. Каждый импульс, посылаемый на драйвер двигателя, двигает ротор в точном соответствии с заданными на драйвере настройками. Например, 100 посланных импульсов на полношаговый привод с двигателем с шагом 1.8° будут преобразованы в поворот ровно на 180°. Одной из сильных сторон шаговых двигателей является то, что они способны работать без обратной связи, без коррекции положения с помощью энкодеров или иных датчиков, т.к. вал по самой архитектуре шагового двигателя совершает перемещения строго в соответствии с поданными импульсами. Однако, это прекрасно работает лишь в том случае, если шаговые двигатели никогда не перегружаются и не впадают в резонанс. В реальности же в очень редких случаях когда отсутствуют эти два фактора. Для того, чтобы быть уверенным, что шаговый мотор не будет пропускать шаги, большинство разработчиков поступают просто — закладывают большой запас при выборе мощности двигателя. Это означает, что на станок будет установлена значительно более тяжелая и дорогая модель, чем это действительно требуется. Резонанс же часто проявляется на тех же самых, рабочих частотах вращения, которые являются основными в конкретном приложении, и поэтому избежать его становится еще сложней.

Как одно из средств избежать последствий кратковременных перегрузок шагового двигателя и пропуска шагов — это установить энкодер на двигатель мотора, точь-в-точь как ставится аналогичный датчик на вал вентильного серводвигателя. Энкодер представляет информацию о положении ротора контроллеру, который сравнивает её с заданной координатой, и использует полученное рассогласование для выполнения шагов таким образом, чтобы скомпенсировать разницу. К сожалению, данный способ не помогает устранить последствия резонанса. Однако, возможность такая все же есть, и заключается она в комбинации коррекции по положению(т.е. компенсации числа импульсов STEP) и одновременного управления ориентацией поля статора шагового двигателя, по принципу аналогичному векторному управлению трехфазными электродвигателями. Поскольку энкодер дает сведения о положении вала, существует возможность ориентировать магнитное поле статора шагового мотора таким образом, чтобы получить максимально эффективное потокозацепление. Причем такая схема не потребует преобразований Кларка, каковые обычно используются для проекции трехфазной системы токов в двухфазную, т.к. шаговые биполярные моторы изначально имеют только 2 обмотки. При таком способе управления ток меняется в обмотках синусоидально — вне зависимости от того, используется полный шаг или микрошаг. Еще одним преимуществом управления ориентацией поля является то, что такой шаговый привод будет нечувствителен к резким изменениям нагрузки — векторное управление позволяет отрегулировать момент привода «на лету» — функция, обычно доступная только при использовании сервоприводов типа PMSM.

Теперь о сервоприводах.

Читатели, возможно, в курсе, что уже достаточно долгое время существуют шаговые сервоприводы, которые используют обратную связь по позиции. Такие приводы просто считают количество шагов и добавляют(или вычитают) шаги для компенсации ошибки, и не способны корректировать угол поворота вала внутри одного шага, «на лету».

В противоположность, синусоидальная коммутация в паре с управлением ориентацией поля действительно способна компенсировать ошибки позиционирования вала внутри одного шага, возникающие из-за неидеальной геометрии деталей шаговых двигателей или нагрузки. Векторное управление магнитным полем гарантирует, что поле статора всегда перпендикулярно полю ротора, и насыщенность поля точно соответствует требуемому моменту. Это увеличивает, эффективность и динамику, и снижает флуктуации крутящего момента. Такой вид управления позволяет шаговым двигателям конкурировать с вентильными сервоприводами на скоростях до 2000 об/мин. На более высоких серводвигатели все же будут эффективней. Оптимальным диапазоном является скорость вращения до 1000 об/мин — в нем шаговые двигатели развивают больший крутящий момент, чем вентильные серводвигатели того же размера.

Приложения, в которых шаговые сервоприводы c синусоидальными токами обмоток могут заменить серводвигатели, включают в себя:

• намоточное оборудование,
• транспортные ленты конвейеров,
• управление заслонками насосов

а также многие другие — все те, в каких нагрузка может изменяться скачкообразно. Кроме того, при использовании таких приводов во многих случаях можно обойтись без редуктора, что делает их привлекательными в случаях, когда критичны габариты механизма. И наконец, следует отметить, что сервоприводы с векторным управлением потребляют ровно столько тока, сколько требуется — меньше нагрев, выше КПД привода. Все этим преимущества становятся очевидными, если рассмотреть привод механизма с ременной передачей, которые обычно работают от асинхронного электродвигателя. Хорошим решением будет заменить асинхронный мотор на подходящий по мощности шаговый сервопривод — как правило, таковой будет примерно втрое меньше по габаритам и весу.

Требования

Сколько рабочих циклов в минуту нужно сделать двигателю? Какой крутящий момент нужен? Какая максимальная скорость требуется?

Эти критические вопросы не могут быть решены просто путем выбора двигателя с заданной мощностью из каталога.

Выходная мощность электрической машины представляет собой комбинацию крутящего момента и скорости, которая может быть рассчитана путем умножения скорости, крутящего момента и констант, вносящих поправки в режим работы электрической машины (естественно это все очень поверхностно. Необходимы точные математические расчеты для каждого типа электродвигателя).

Однако из-за характера этого расчета существует множество различных комбинаций крутящего момента и скорости (кратковременная работа с перегрузкой или недогрузкой), которые влияют на выходную мощность. Таким образом, разные двигатели с одинаковой номинальной мощностью могут работать по-разному из-за комбинации скорости и крутящего момента.

Инженеры должны знать, насколько быстро должен двигаться груз определенного размера, прежде чем уверенно выбирать двигатель, который будет работать лучше. Выполняемая работа также должна попадать в кривую крутящего момента / скорости двигателя. Эта кривая (механическая характеристика электродвигателя) показывает, как крутящий момент двигателя изменяется в зависимости от скорости. Используя предположения «наихудшего случая» (другими словами, определяя максимальный / минимальный крутящий момент и скорость, которые потребуются для работы), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет механическую характеристику, способную приводить в движение груз при этом не выходить с номинального режима работы (например, перегрев, если мощность электрической машины занижена).

Инерция нагрузки является еще одним фактором, который следует учитывать, прежде чем погрузиться в процесс принятия решения о выборе двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, который представляет собой сравнение инерции нагрузки и инерции двигателя. Одно эмпирическое правило гласит, что если инерция нагрузки в 10 раз превышает инерцию ротора, то настройка электрический машины может быть куда более сложной и производительность производственного механизма может ухудшиться. Но это правило варьируется не только от технологии к технологии, но и от поставщика к поставщику и даже от продукта к продукту. Важность точности позиционирования рабочего органа также повлияет на это решение. Некоторые механизмы поддерживают соотношение 30: 1, в то время как прямые привода работают до 200: 1. Многим инженерам не нравится определять размер двигателя, который превышает соотношение 10 к 1.

Наконец, существуют ли физические ограничения, которые ограничивают тип электродвигателя. Электрические машины бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях электродвигатели являются большими и громоздкими, и есть определенные операции, которые не могут вместить двигатель определенного размера. Прежде чем принять обоснованное решение о наилучшем типе машины, ее массогабаритные показатели должны быть оценены и поняты.

Как только инженеры ответят на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и массогабаритные показатели, — они смогут сосредоточиться на наиболее эффективном по размеру двигателе. Однако процесс принятия решений на этом не заканчивается. Инженеры также должны выяснить, какой тип электродвигателя лучше всего подходит для применения. В течение многих лет выбор типа сводился к одному из двух вариантов для большинства применений: серводвигатель или шаговый двигатель с разомкнутым контуром управления.

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

dmaslov » 29 июл 2016, 04:44

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

MEG » 29 июл 2016, 16:18

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

dmaslov » 29 июл 2016, 18:49

Нет, планируется все менять я картинки нарисовал чисто для демонстрации идеи как можно BLDC использовать на месте NEMA 17 мотора. Немного ввел этим в заблуждение. Для нашего конкретно принтера нужен компактный дизайн, наподобие размеров стандартного серво привода или чуть больше. Общий вес принтера будет в районе 2 кг. Мы уже делаем прототип, пока что на щеточных моторах размера 130 и с оптической обратной связлью, у нас даже есть электроника на основе MEGA 2560 с отдельными 328P контроллерами для PID управления моторами, один 328P на два мотора. На данный момент ничего это не работает, только движемся к запусуку, но уже видно, что иметь интегрированные с электроникой моторы было бы очень удобно, такой мотор может иметь самостоятельную жизнь, как проект Mechaduino, и использоваться в разных устройствах. Вот что-то подобное уже сделано для щеточного двигателя в конструктиве серво:
http://letsmakerobots.com/node/18615

Для щеточного, конечно, проще, но мы хотим начать разработку на BLDC с той точки зрения, что прогресс движется в этом направлении.

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

MEG » 29 июл 2016, 19:35

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

dmaslov » 29 июл 2016, 23:00

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

ilalexey » 29 июл 2016, 23:22

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

Myp » 29 июл 2016, 23:37

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

ilalexey » 29 июл 2016, 23:52

Скорее всего. Всё работает чётко. Недожим болтов на лицо.

Добавлено спустя 6 минут 4 секунды:
..в любом случае верхние задумки нужно перезадумывать. Движки ещё как-то крепить нужно(на что мясо отсутствует)

Добавлено спустя 6 минут 35 секунд:

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

MEG » 30 июл 2016, 00:12

из данного манифеста видно что никто не считал что и зачем, всё занятие просто ради занятия. Куда кто шагнёт, зачем? Считали ли затраты, выхлоп и прочее? ответ судя по всему «нет», занимаетесь чистым искусством. Предвижу, что когда дойдёт до дела и денег, из системы придётся выкинуть все красивые но не нужные вещи, вставить добротные шаговики и так далее.
Если вы, как пишете, из штатов, то я удивлён что вы не ознакомились с результатами исследований широко известных за океаном.

Например с тем, что BLDC не ставят в принтеры вовсе не потому что не могут (могут и умеют и ставят и в принтеры и в станки), а потому, что до мощности в 100ватт шаговик по совокупности параметров (включая цену) уделывает BLDC в минуса судя по многолетней практике. Да, любители и могут и строят на них и микроприводы. Нет, серийное производство экономически будет провальным. Грубо говоря, ваш чудесный принтер скопируют, выкинут из него бесколлекторники дорогие, вместе с контроллерами, и начнут продавать в два раза дешевле вас с теми же параметрами по точности и скорости.
И да, цель кроме как «быстрее всех» не обозначена. Отсюда вижу что никто серьёзно и не понимает зачем выкидывать шаговик, что это даст и чем чревато. Или ошибаюсь и вы всё просчитывали?

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

Myp » 30 июл 2016, 01:30

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

Master987 » 30 июл 2016, 01:39

У шагового двигателя есть два больших минуса.
Чем выше скорость тем меньше крутящий момент как следствие пропуск шагов из за этого появляется ограничение в скорости печати и требуется как можно больше снизить подвижную массу.
В общем шаговый двигатель лучший выбор когда нужны не большие скорости а 3д печать движется в направлении увеличения как раз этой самой скорости и точности а значит от шаговых моторов рано или поздно придется отказаться.
Энкодер который собственно начал эту тему по цене 46 баксов ну как по мне слишком дорого вот если за эту цену былбы полноценный сервопривод тогда да не задумываясь купил а для этой платы крайняя цена 20-25 баксов дальше жаба не позволит
Итог кто первый выкинет на рынок за вменяемые деньги хороший мотор тот и сорвет куш

Добавлено спустя 7 минут 22 секунды:

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

MEG » 30 июл 2016, 02:42

я вроде описал, что в качестве поделок, самоделок и прочего апгрейда делают всё что угодно. Но, практика показывает что промышленное производство и рынок слегка правят полёт фантазии. именно поэтому я просил описать зачем это делается, но выше видно, что делается это «низачем», просто потому что BLDC это вау. Напомню, указанные тобой «дураки» покупают это не просто ради «вау», а с вполне конкретной целью. Которая оправдывает средства. Продолжать?

Добавлено спустя 18 минут 54 секунды:

это неправда. Двигателя формата NEMA17 по мощности на валу примерно в два-три раза превышают необходимый минимум при правильном проектировании. Для скоростей которые обычно используются самодельных в 3d принтерах (реальных а не тех которые в софте задаются) вполне хватило бы и NEMA14, именно поэтому мне было странно услышать что они берут, клепают BLDC, вымучивают контроллер и всё ради того чтоб поместить это всё в формат NEMA17. Слегка непонятно зачем был огород.

И да, шаговик нормальный NEMA17 вполне справится со скоростями до 400мм/с, на ремне. А точнее, он бы справился, да хотэнд не позволит. Поэтому я и спросил какая цель ставится, надеясь услышать что там ноу-хау в плавлении пластика имеется. Ан нет, вся затея строго чтоб выкинуть шаговики.

Ещё раз, кризис шаговиков наступит на скоростях больше 400мм/с. Такой скорости не наблюдается даже в смелых мечтах ни у кого.

я вроде именно об этом выше написал. что год будут строить этот прорыв и шаг в будущее. построят полтора прототипа. После чего выяснится, что вместо 200 баксов на движки, ровно такого качества и скорости можно добиться на шаговиках стоимостью 50 баксов, запитав их через драйвер стоимостью 1 бакс.

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

dmaslov » 30 июл 2016, 02:46

Наша контора проектирует и продает запчасти другим производителям и мы с этого живем не первый год, к слову о подсчетах. Вы рассуждаете, бесспорно, здраво. Шаговые двигатели доминируют «и есть почему». Мы их, кстати, продаем, китайские по 9 долларов. Высунуться из толпы на этом не удастся, рынок меняется. Нужны новые продукты чтоб продолжать держаться на плаву. По крайней мере в америке не выплыть без новаторства, рынок уже переполнен. Никакой новый 3д принтер типичной конструкции не будет иметь сколько нибуль заметный успех если только он не стоит 100 долларов. У нас есть давний опыт с китайскими производителями электроники и CNC деталей, мы можем добиться минимальных затрат на продукт, в 100 долларов за принтер не уложимся, но в сотни три с половиной должны. Вот прототип, пока мы его делаем с моторами Johnson 130 и оптическими дисками обратной связи. Мы ищем толковых разработчиков чтоб попробвать сделать BLDC привод если не для этого конкретно принтера, то как отдельный проект наодобие mechaduino. BLDC серво со встроеным программируемым контроллером уже выпускается для индустриальных приложений http://www.animatics.com/products/animatics/nema-23-2300-series/sm23165d.html мы с такими моторами делали проект — исключительно просто и быстро было добиться результата. Надо только сделать дешевле в 15 раз Этот стоит тысячу баксов.

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

MEG » 30 июл 2016, 03:17

я правильно услышал, вы собираетесь уложиться с тремя-четырьмя сервоприводами, каким-то хотэндом, китайской электроникой в 350 долларов за собранный принтер? это себестоимость или отпускная цена?

я правильно нагуглил что это движок на 12 вольт и 30ма?

сами как думаете, сможете в 15 раз резко обесценить устройство не имея опыта в проектировании подобных?

так-то идея хорошая. Но зашли не с того конца. Опять, я вижу вы сами не задавались вопросом, зачем вам туда серва, цели какие кроме красивого рекламного буклета? Поверьте, если принтер при этом ничем по параметрам не будет отличаться от такого-же но на шаговиках (а он не будет отличаться, затык текущей технологии вовсе не в шаговиках), никто финансово не оценит порыва.

Добавлено спустя 4 минуты 29 секунд:

Re: Mechaduino — closed loop stepper controller

Master987 » 30 июл 2016, 03:24

Построить Arduino Motor / Stepper / Servo Shield — Часть 1. Сервоприводы

Этот пост начинает небольшую (или более крупную?) Серию учебных пособий с использованием Arduino Motor / Stepper / Servo Shield с платой FRDM-KL25Z . Этот экран двигателя, вероятно, является одним из самых универсальных на рынке и имеет 2 разъема сервопривода и 4 разъема для двигателя постоянного или шагового двигателя. Это делает его отличным щитом для любого робототехнического проекта.

Шаговый сервомотор Arduino с FRDM-KL25Z

Серия начинается с урока о том, как управлять двумя серводвигателями. И если это не то, что вы ожидаете сделать с этим щитом, тогда вы можете проголосовать и сказать мне, что вы хотите увидеть вместо этого на этом моторном щите .

OEM или оригинал?

Оригинальный Arduino Motor / Stepper / Servo Shield можно приобрести в Adaftruit Industries по цене менее 20 долларов. Я использую OEM версию, смотрите эту ссылку . Функциональность та же, за исключением того, что OEM-версия работает только с двигателями до 16 В постоянного тока, в то время как оригинальный экран предназначен для двигателей до 25 В постоянного тока.

Детали сервопривода двигателя шагового двигателя

На плате установлены две микросхемы H-Bridge для двигателей STMicroelectronics L293D , которые могут приводить в действие до 4 двигателей постоянного тока (или до 2 шаговых двигателей) с током 0,6 А на мост (пик 1,2 А). 74HCT595N (на моей плате установлен SN74HC595 от Texas Instrument) — это сдвиговый регистр, используемый для H-мостов, чтобы уменьшить количество необходимых выводов (подробнее об этом в следующем посте). Клеммная колодка с перемычкой обеспечивает питание постоянного / шагового двигателя. 5 В постоянного тока для сервоприводов берется с платы FRDM.

FRDM-KL25Z может выдавать только несколько сотен мА на 5V Arduino. Это работает для небольших сервоприводов, но я рекомендую отключить питание 5 В для сервоприводов и использовать выделенные 5 В (или 6 В) для сервоприводов.

Контур

В этом руководстве я создаю проект с CodeWarrior для MCU10.4 для платы FRDM-KL25Z, а затем добавляю поддержку двух серводвигателей.

Компоненты Процессор Эксперт

В этом руководстве используются добавленные компоненты Processor Expert, которые не являются частью дистрибутива CodeWarrior. Используются следующие другие компоненты:

1. Ожидание : позволяет ждать в течение заданного времени
2. Серво : драйвер высокого уровня для двигателей хобби сервп

Убедитесь, что вы загрузили последние и самые лучшие компоненты из GitHub . Инструкции по загрузке и установке дополнительных компонентов можно найти здесь .

Создание проекта CodeWarrior

Чтобы создать новый проект в CodeWarrior:

1. Файл> Создать> Проект Bareboard, дать имя проекту
2. Укажите устройство, которое будет использоваться: MKL25Z128
3. OpenSDA как соединение
4. Поддержка ввода / вывода может быть установлена ​​на «Нет ввода / вывода»
5. Processor Expert как опция быстрой разработки приложений

Это создает отправную точку для моего проекта:

Создан новый серво-проект

Серводвигатель

Серводвигатели используются в RC (радиоуправлении) или (хобби) робототехнике.

Типичный серводвигатель (Hitec HS-303)

Мотор имеет 3 разъема:

1. GND (черный)
2. Мощность (красная), обычно 5 В, но может быть 6 В или даже выше
3. ШИМ (белый или желтый), сигнал для информации о положении

Сигнал ШИМ обычно имеет частоту 50 Гц (20 мс), с длительностью (высокая длительность) от 1 мс до 2 мс.

На снимке экрана ниже показан такой сигнал 50 Гц с рабочим циклом 1,5 мс (среднее положение сервопривода):

Многие сервоприводы работают менее 1 мс и более 2 мс. Например, у многих сервоприводов Hitec диапазон составляет 0,9… 2,1 мс. Проверьте лист данных ваших сервоприводов для деталей. Если у вас нет таблицы данных, вы можете просто поэкспериментировать с другими значениями.

С режимом ШИМ от 1 мс до 2 мс в течение периода 20 мс это означает, что используется только 10% от всего режима ШИМ. Это означает, что если у вас разрешение ШИМ всего 8 бит, то можно использовать только 10% из 256 шагов. Таким образом, 8-битный сигнал ШИМ не дает мне точной настройки сервопривода.

Продолжительность рабочего цикла (1,2 мс) переводится в положение двигателя. Обычно сервопривод имеет встроенный регулятор с замкнутым контуром с микроконтроллером и потенциометром.

Я обнаружил, что не важно иметь * точную частоту ШИМ * 50 Гц. Вам необходимо поэкспериментировать с вашим сервоприводом, если он работает также с более низкой или более высокой частотой или с нефиксированной частотой (например, если вы используете программный ШИМ). Многие сервоприводы строят среднее значение рабочего цикла, поэтому вам может потребоваться отправить несколько импульсов, пока сервопривод не отреагирует на изменение значения.

Компонент Эксперт Серво процессора

Здесь я использую свой собственный компонент ‘Servo’, который предлагает следующие возможности:

• Конфигурация ШИМ (режим работы и период)
• Мин. / Макс. И значения инициализации
• Методы изменения рабочего цикла
• Дополнительная поддержка оболочки командной строки: вы можете вводить команды и управлять сервоприводом. Это полезно для тестирования или калибровки.
• Дополнительное «синхронизированное» перемещение, так что вы можете перемещать сервопривод быстрее или медленнее в новую позицию, управляемую прерыванием

Конечно, можно использовать сервоприводы без каких-либо специальных компонентов.

В представлении «Компоненты» я добавляю компонент «Серво». Чтобы добавить его в свой проект, я могу дважды щелкнуть по нему или использовать значок «+» в этом представлении:

Сервокомпонент в представлении библиотеки компонентов

В случае, если представления Processor Expert не отображаются, используйте меню Processor Expert> Show Views

Это добавит новый компонент ‘Servo’ в проект:

Серво компонент добавлен

Но он показывает ошибки, так как сначала необходимо настроить параметры ШИМ и выводов.

Конфигурация ШИМ

На Arduino Мотор / шаговых / серво щит два заголовка серводвигатель соединены PWM1B и PWM1A (см схематичное ):

Что такое шаговый двигатель?

Прежде чем перейти к статье, давайте сразу договоримся, что статья не направлена на специалистов, а её цель – донести любознательным любителям техники и технологий о таком устройстве, как шаговый двигатель и об основах работы с ними. Поэтому умников и критиков, жаждущих поговорить о великом многообразии управляемого и регулируемого электропривода, прошу идти общаться на тематические ресурсы по ЧПУ-станкам и 3D-принтерам.

Итак, для начала сформулируем определение. Согласно Википедии: «Шаговый электродвигатель — синхронный бесщёточный 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».

Формулировка достаточно понятна, но её последнее предложение может вызвать некоторое недопонимание. Поэтому я предлагаю провести небольшое сравнение.

Всем известно что ротор «обычного» электродвигателя, будь то асинхронного, синхронного, коллекторного или любого другого будет вращаться до тех пор, пока на него подают напряжение питания, и после отключения питания он будет вращаться еще какое-то время по инерции, если же не используются какие-либо средства для его торможения.

Ротор такого двигателя вращается просто вокруг своей оси без каких-либо ограничений, на 360 градусов, и остановится он в любом месте. Зафиксировать его положением можно только механически (тормозом). По этой причине не получится добиться точного позиционирования исполнительных механизмов, что требуется в робототехнике, ЧПУ-станках и другом автоматизированном оборудовании.

Но шаговые двигатели разработаны для применения в механизмах, где детали поворачиваются точно на требуемый угол.

В приведенном выше определении было сказано «…вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора…» — это значит, что ротор шагового двигателя не вращается в обычном понимании, а поворачивается на какой-то определенный, «дискретный» угол. Этот угол называется шагом, отсюда и название «шаговый двигатель». Мне нравится еще одно название этих устройств — «двигатель с конечным числом положений ротора».

Питание такого двигателя невозможно без системы управления, или как его еще называют, драйвера — он подаёт импульсы в нужные обмотки, чтобы повернуть ротор на нужный угол. Это наглядно иллюстрирует приведенная ниже анимация.

Кроме того, что можно поворачивать двигатель на определенный угол и фиксировать его в этом положении, делать это всё можно без схемы обратной связи (датчиков положения и прочего).

Рассматривать типы шаговых двигателей в пределах этой статьи мы не будем, лишь кратко перечислим, какими они бывают. По конструкции:

1. Реактивные.
2. С постоянными магнитами.
3. Гибридные.

По способу питания:

1. Униполярные (однополярные — ток пропускают через обмотки только в одну сторону).
2. Биполярные (ток пропускают через обмотки в обе стороны). Здесь драйвер должен подавать напряжение различной полярности, что несколько усложняет схемотехнику. При тех же размерах развивают б О льшую мощность по сравнению с униполярными.

В униполярном двигателе зачастую 5 проводов — 1 общий, от середины каждой из двух обмоток, и 4 от концов обмоток. Иногда говорят «4 обмотки» – это также правильно, поскольку фактически мы получаем 4 обмотки соединенных в общей точки.

Униполярный шаговый двигатель

Также ШД могут отличаться и по количеству проводов, это зависит от того, как соединены обмотки и какое питание предполагается, некоторые варианты вы видите в таблице ниже.

Варианты схем соединения обмоток в шаговых двигателях

Управление шаговым двигателем

Различают два способа управления шаговым двигателем:

1. Полношаговое. Одновременно включается только пара обмоток (без перекрытия с другими). Достигается максимальный момент на валу, но точность установления угла меньше, чем в других способах.
2. Полушаговое. В этом случае увеличивается количество шагов, соответственно повышается точность установки положения вала. На каждый первый шаг включается одна обмотка, на каждый второй шагами (полушаг) – пара обмоток. Но когда включена одна обмотка момент на валу снижается вдвое.

На анимациях ниже наглядно продемонстрировано

В некоторых источниках отдельно обозначают микрошаговое управление. Используется, когда необходимо максимальное количество шагов и точность управления. По способу управления оно похоже на полушаговый режим, между шагами включаются две обмотки, а отличие в том, что токи в них распределяются не равномерно. Главный недостаток такого подхода — усложняется коммутация (система управления).

Вступительная статья о серводвигателей: Каковы серводвигатели? Что такое RC двигатель сервопривода? Серводвигатели обычаи в приложениях робототехники. Преимущества и недостатки серводвигателей, сравнение между серводвигателей и шаговых двигателей. Контроль Серводвигатель. Серводвигатель напряжение, ток, и проводку.

Что такое R / C сервомотор?

Серводвигатель это двигатель, который имеет внутренний механизм основе системы передачи и электронного управления

от должности главы двигателя.

RC серводвигателей радиоуправляемые серводвигатели, которые используют постоянного тока, и могут перейти на определенный угол, как правило, в диапазоне от 0 до 180 градусов. Называются RC серво, потому что они, как правило, связана с радио-контроля, хотя они могут быть использованы без него.

Серводвигатели работать в замкнутом цикле, что означает, что они могут измерять точное положение головы мотора, и, управляя двигателем исправить пробелы в нужное положение.

Использование Серводвигатели в приложениях робототехники

Серводвигателей используются в самых разнообразных роботов, машин, роботов и общего применения, включая: робота оружие, радиоуправляемые игрушки, машины, воздушные самолетов и вертолетов, промышленное оборудование и многое другое приложений. Есть много причин, которые делают сервомоторы так часто — их легкость управления, низким энергопотреблением (КПД), высокий крутящий момент, TTL контроль напряжения уровне, и даже физические свойства — серводвигатели являются относительно небольшими по размеру и имеют небольшой вес .

Вы можете увидеть несколько демонстраций серводвигателей в ближайшие два видео:

Преимущества и недостатки Серводвигатели

Серводвигателей используются во многих приложениях робототехники, по многим причинам:

• Серводвигатели как правило, имеют небольшой размер
• Серво двигатели имеют большие угловые силы (крутящий момент) по сравнению с их размером
• Серводвигатели работать в замкнутом цикле, а потому очень точны
• Серводвигатели имеют внутреннюю схему управления
• Серводвигатели электрически эффективность — они требовали тока пропорциональна весу нагрузки они несут.

Сравнение между серводвигателей и шаговых Motors

• Наиболее существенное различие между серводвигателей и шаговых двигателей является тот факт, серводвигатели работают в замкнутом цикле в то время как шаговые двигатели работают в открытом цикле. Это означает, серводвигатели имеют внутренней обратной связи — они способны измерять свою позицию, разница между фактическим положением и нужное положение, и чтобы исправить пробел, управление двигателем. Шаговых двигателей, с другой стороны, не имеют обратной связи и, следовательно, более подвержены ошибкам.
• RC Серводвигатели ограничиваются 0-180 градусов передвижения и требуют физические и электрические модификации для того, чтобы иметь возможность двигаться в 360 градусов. Шаговые двигатели не имеют этого ограничения.
• Шаговые двигатели, как правило, дешевле, чем серводвигателей
• Шаговые двигатели теряют крутящий момент в высокой скорости вращения, в то время серводвигатели нет.

Как серво работы двигателя?

Servo управления двигателем

Управление серводвигателей достигается за счет отправки цифрового сигнала для управления провод двигателя. Общая идея состоит в отправке прямоугольный сигнал на двигатель, где длина волны определяет угол, на который двигатель будет двигаться.

В примере, при отправке 1 мс импульсного меандр на двигатель, он будет двигаться к ее минимальный угол — 0 градусов.
При отправке 1,5 мс импульсный меандр на двигатель, он будет двигаться к ее середине угол — 90 градусов.
При отправке 2 мс импульсный меандр на двигатель, он будет двигаться к его «крупнейшей» угол — 180 градусов.

На видео ниже вы можете увидеть пример управления сервомотором. Обратите внимание на длину волны волны показана на осциллограф, и угол двигатели, изменяется соответствующим образом.

Servo напряжения

Серво двигатели работают на различных уровнях напряжения, но RC серводвигателей обычно работают в диапазоне от 4,8 до 6 вольт. Причина для использования этих уровней напряжения являются их близость к TTL уровни напряжения (5volts), которые наиболее микро-контроллеры используют. Итак, что напряжение рекомендуется использовать? Ответ прост — с помощью максимально допустимое напряжение, указанное для двигателя даст высокий крутящий момент.

Servo текущей

Servo Подключение

Серводвигатели есть 3 провода:

Коричневый или черный провод, который является отрицательное напряжение питания (земля, -)

Красный провод, который является положительным напряжением питания (+)

Желтый, оранжевый или белый провод, которые осуществляют контроль сигнала.

В примере, в общем HiTec Futaba сервомашинки:

Строительство контроллер Серводвигатель

Контроль Серводвигатель делается путем генерации PWM (широтно-импульсная модуляция) сигнала. Создание таких Сингал является процессор интенсивной, так как требует много прерывание звонков. Создание нескольких сигналов ШИМ в то же время (если их несколько двигатели находятся под контролем) является еще труднее вкус к компьютеру — это в лучшем случае это приведет к высокой нагрузке на систему, а в худшем случае это приведет к неверным сигналом PWM поколения, и, следовательно, ошибочным движение двигателем. Вот почему, помимо простоты использования, специальный контроллер сервопривода рекомендуется для взаимодействия сервоуправления к ПК.

Вы можете узнать больше на эту тему в контроллер USB Servo странице.