0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шаговый двигатель как сервомашинка

Шаговый двигатель

Итак, мы уже рассказали, как устроен серво мотор и сегодня начнем разбирать шаговый двигатель, его схему, драйверы управления и то, где его лучше всего использовать!

Начнем мы с того, что «на пальцах» рассмотрим принцип функционирования данной железяки. Каждый шаговик имеет внутри себя несколько электромагнитов, расположенных вокруг вала. Подавая питание в нужной последовательности на каждую из них, вращающийся элемент двигателя стремится примагнититься катушке. Быстрым переключением питания между электромагнитами можно добиться большой скорости вращения вала мотора и перемещать его в любое положение с большой точностью. Однако для обеспечения этой точности используются различные вспомогательные устройства, так как такой тип двигателя имеет крайне неприятной эффект вибрации. О таких нюансах мы и расскажем далее!

Любой шаговый двигатель имеет два основных элемента: ротор (вал мотора) и статор (неподвижный корпус). Первый состоит из обычных магнитов, а второй — из электрических, управляемых катушек. Стоит отметить, что как раз за счет шагов от одной катушке к другой в шаговиках присутствует вибрация, вызванная инерцией вала мотора. Профили магнитов, принципы управления электромагнитами — все это разделяет шаговики на типы и наделяет их своими плюсами и минусами.

Разделим шаговики на 3 основных класса:

  • Переменный шаговый двигатель
    Ротор не имеет постоянных магнитов, а оснащен ферромагнитной шестерней. Это материал, который крайне эффективно магнититься, но не так сильно по сравнению с постоянным. Это приводит к проигрышу в крутящем моменте. Зато отсутствует стопорящая сила, возникающая за счет магнитного поля между корпусом мотора и ротором с постоянным магнитом, которую легко почувствовать, покрутив шаговик в выключенном состоянии (характерные щелчки).
    Движок оснащен большим количеством катушек, которые включаются попарно. Величина шага варьируется от 5 до 15 градусов.
  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
    Ротор такого устройства состоит из нескольких разнополюсных магнитов. Принцип разбирали в самом начале. Характерный шаг от 45 до 90 градусов.

  • Гибридный шаговый двигатель
    Как можно догадаться, данный тип совместил в себе первые два и унаследовал все плюсы. Отличительными характеристиками данного шаговика являются высокая точность (1-5 градуса), малая вибрация и приличная скорость вращения. Все хорошо, но такие штуки отличаются от своих собратьев еще и ценой! Это связано со сложностью изготовки. Но производители пошли на технологическую хитрость. Практически невозможно создать многозубцовую (скажем, 100) шестеренку, где соседние зубья будут разных полюсов.

    Но достаточно просто создать два таких диска, имеющих противоположные полюса. Затем их сдвигают так, что если посмотреть сбоку, получится то, что мы и хотели. Осталось правильным образом расположить обмотки и включать их по оптимальной логике, обеспечивающей наибольшую эффективность!

Теперь давайте пробежимся по методам управления шаговыми двигателями. Их также можно разделить на несколько пунктов:

  • Полношаговое управление одной обмоткой
    Это самый простой вариант. Последовательно включается только одна катушка и к ней притягивается вал мотора. В таком случае крутящий момент будет меньше чем в следующем способе.
  • Полношаговое управление двумя обмотками
    Принцип такой же, как и в предыдущем случае, но теперь управление идет парой электромагнитов. Это обеспечивает максимальный крутящий момент мотора, но требует в два раза больше тока или напряжения (зависит от метода подключения катушек друг к другу).
  • Полушаговое управление
    Данная логика включения катушек позволит увеличить число шагов, а, следовательно, и точность в 2 раза! Аналогично предыдущим пунктам, можно управлять одной катушкой или парой. Вся фишка в том, что в данном случае переход на следующую катушку происходит не при полном выключении предыдущей. То есть, при работе двух соседних катушек вал мотора встает в промежуточное состояние.
  • Сверхточное управление
    Наверное, у многих после предыдущего пункта появилась мысль: а что если мы будем подавать разную мощность на две соседние катушки, меняющуюся по определенному закону, и получим еще больше промежуточных шагов? Именно так и устроены современные двигатели в сверхточных ЧПУ и прочих подобных устройствах. Хитрое управление обмотками позволяет значительно повысить точность позиционирования подобных моторов. В таких случаях используют специальные драйверы для шаговых двигателей, позволяющих осуществлять подобный режим управления.

В качестве примера в данной статье рассмотрим подключения двух шаговых двигателей к плате Arduino. Для начала рассмотрим мотор 17hs4401, которой используется в 3D принтерах. Данная модель является биполярной, то есть у нас есть две пары обмоток от которых идет 4 кабеля.

Шаговый двигатель 17hs4401 обладает большим крутящим моментом и может питаться от сети 12 V. Чтобы не перегружать нашу плату управления большими мощностями, шаговик подключается к ней с помощью специального драйвера А4988, который способен работать в жестких условиях (до 35 V и 2 А).

Слабые управляющие сигналы с Arduino идут на драйвер, а тот уже взаимодействует с 17hs4401 с более мощными параметрами по току и напряжению. К ножкам A4988 VDD и GND подводится питание логического уровня (3 — 5,5 В), к VMOT и GND — питание двигателя (8 — 35 В). Стоит отметить, что в данной системе бывают скачки напряжения, которые могут привести к поломке оборудования. Поэтому (на 3D принтерах всегда) ставят большие конденсаторы (более 47 мкФ). Драйвер имеет болт, который регулирует силу тока. Работая на предельных значениях, вы рискуете сжечь его, особенно если не наклеен радиатор, идущий в комплекте с устройством.

Шаговик 17hs4401 за полный оборот совершает 200 шагов. Это весьма неплохо, но для лучшего позиционирования (крайне важно для ЧПУ) используют схему управления с микрошагами, которую мы изучили ранее. A4988 позволяет осуществлять такую процедуру с коэффициентами 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 шага (комбинируя управление через выходы MS1, MS2, и MS3).

MS1MS2MS3Step
LowLowLowFull
HighLowLow1/2
LowHighLow1/4
HighHighLow1/8
HighHighHigh1/16

Пин STEP отвечает за микрошаг шаговика, DIRECTION — за направление вращения. Выводы STEP и DIRECTION не подтянуты к какому-либо конкретному внутреннему напряжению, поэтому их не стоит оставлять плавающими при создании приложений. Если требуется вращать двигатель в одном направлении,коннектим DIR с VCC или GND. Драйвер имеет три различных входа для управления состоянием питания: RESET, SLEEP и ENABLE. Вывод RESET плавает, если его не нужно использовать, то следует подключить его к SLEEP, чтобы подать на него высокий уровень и включить плату.

Теперь давайте перейдем непосредственно к подключению данного мотора к микрокомпьютеру. Соединяем контакты согласно указанной ниже схеме:

Обычно, такие моторы используются любителями при сборке 3d принтеров своими руками. Для этого используют Arduino MEGA и шилд ramps 1.4, о котором мы говорили в этой статье. Удобство использования данного комплекта состоит в том, что не нужно соединять кучу проводов — за вас уже все разведено. Таким образом, легко подключить сразу до 5 шаговиков!

Более простым и дешевым вариантом шагового мотора является модель 28byj-48. Его подключение немного запутанное, но несмотря на это он пользуется большой популярностью у любителей собирать роботов! Поэтому мы немного расскажем о том, как 28byj-48 подключить к Arduino. В первую очередь нам понадобиться драйвер ULN2003APG. Это очень дешевая железяка, встречается как готовая плата с разъемами, так и просто чип с голыми ножками. Сначала посмотрим, как подключать второй вариант.

На данной картинке покано подключение двух шаговых двигателей к плате Arduino Nano. C обратной стороны драйвера все ножки соединяем с цифровыми пинами, кроме крайней правой — ее ведем к GND. При программировании вам потребуется осуществить настройку моторов к пинам и в этом случае необходимо указать правильную последовательность: оранжевый, синий, желтый, розовый. Именно в таком порядке необходимо будет подавать управляющий сигнал с ножек микропроцессора. Как видно на рисунке, красный провод левого коннектора не попадает на ULN2003APG — его необходимо соединить с выходом 5V или VIN.

Есть более простой способ подключения шаговика 28byj-48 через готовую плату с коннектором:

На всякий случай приведем распиновку драйвера:

На этом у нас все, если будут вопросы — всегда готовы ответить!

Схема электропривода с шаговым двигателем

В статье расскажем, что такое шаговый двигатель, принцип работы мотора, как работает данный электродвигатель, покажем схему его конструкции.

  1. Что такое шаговый двигатель
  2. Электроприводы шаговых двигателей для транспортных систем
  3. Устройство шагового привода
  4. Как получить любой шаговый привод с обратной связью, в любую точку РФ за 2-3 дня, и выиграть в цене?
  5. Управление шаговым двигателем
  6. Типы шаговых двигателей
  7. Преимущества шагового двигателя
  8. Другие статьи из категории
  9. Важные характеристики
  10. Виды управления
  11. Без контроллера
  12. С контроллером
  13. Популярные схемы управления
  14. Полезные ролики по теме

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Электроприводы шаговых двигателей для транспортных систем

Основные требования, предъявляемые к электродвигателям, используемым в транспортерах:

  • Низкий уровень вибрации
  • Точность/повторяемость останова
  • Способность работать в запыленных, влажных и т. п. средах
  • Параметры разгона/торможения

В качестве приводов транспортных систем традиционно используются шаговые двигатели и двигатели переменного тока (сервоприводы).

Устройство шагового привода

Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.

Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.

Читать еще:  Что такое обратка в топливной системе дизельного двигателя

Как получить любой шаговый привод с обратной связью, в любую точку РФ за 2-3 дня, и выиграть в цене?

Забудьте навсегда проблемы с оперативной доставкой шаговых приводов с обратной связью. В 99% случаях вы получите ваш шаговый привод с обратной связью за 2-3 дня. Есть замена любым шаговым приводам. ЦЕНА ниже, чем у конкурентов.

Обращаясь в Stepmotor, вы получаете гарантию на шаговые двигатели с обратной связью 24 месяца, паспорта на русском языке и доставку за 2-3 дня. Каждый клиент получит техническую консультацию по настройке и установке БЕСПЛАТНО.

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД? Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!

Типы шаговых двигателей

  • По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:
  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Преимущества шагового двигателя

  • угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.
  • зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.
  • высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников
  • возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.
  • большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Другие статьи из категории

  • Новый сервопривод СПС – новые возможности
  • Синхронный сервопривод в упаковочных автоматах. Опыт применения
  • Функциональные возможности современного сервопривода
  • Сервопривод: малая форма, большие возможности.
  • Универсальный сервопривод СПШ10

Важные характеристики

  • С точки зрения электротехники, пошаговый привод – это достаточно сложное устройство, обладающее целым рядом параметров. Вот основные из них:
  • Число полных шагов в течение одного цикла – от него зависит точность, плавность хода, разрешающая способность; у современных моделей должно быть на уровне 200-400.
  • Угол дискретного перемещения (поворота вала) – рассчитывается как 360 0/количество отдельных передвижений за оборот; аналогичный предыдущему показатель, просто представленный в другом виде; его актуальные значения – 1,8-0,9 градусов.
  • Пробивное напряжение – максимальное, по достижении которого нарушается изоляция, определяет безопасность использования.
  • Допустимое постоянное напряжение – измеряется в статическом режиме на витках; в ряде случаев не приводится, но и тогда его можно рассчитать по закону Ома.
  • Номинальный ток – наибольший из возможных для безопасного и бесперебойного функционирования силового агрегата.
  • Сопротивление обмотки – оно, вместе с предыдущей характеристикой, говорит о том, какое количество Вольт можно подавать на пошаговые электродвигатели.
  • Индуктивность фазы – определяет скорость нарастания тока; приобретает особенно важную роль при быстром вращении вала.
  • Сопротивление изоляции – между обмотками и корпусом.

Отдельным семейством параметров являются моменты:

  • крутящий – зависит от частоты вращения; указывается максимальный для данного силового агрегата;
  • инерции – чем он меньше, тем быстрее разгон;
  • стопорный – нужен для прокручивания вала в случае отсутствия питания;
  • удерживающий – активен при полной остановке и запитывании номинальным током двух фаз.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

Популярные схемы управления

Предлагаем вашему вниманию два интересных варианта:

Ключевое преимущество здесь – помехозащищенность. Как прямой, так и инверсный сигнал подключаются к своим полюсам напрямую. При ее воплощении в жизнь необходимо озаботиться экранированием сигнального соединителя. Подходит, когда планируете с низкой мощностью использовать шаговый электродвигатель: принципы работы будут выполняться даже при условии высоких нагрузок.

Еще одно достойное решение:

Ключевая особенность – объединение вводов, подключаемых к положительному полюсу. Если при этом будет подаваться питание, превышающее 9 В, понадобится дополнить схему резистором-ограничителем тока. В общем же она очень удобна тем, что обеспечивает возможность строго и точно задавать скорость и количество перемещений в течение оборота.

Если на один его D-вывод подавать логическую 1, а на остальных оставлять 0, транзистор откроется, что обеспечит прохождение сигнала к катушке. Вот таким нехитрым способом осуществляется дискретное передвижение.

Советуем на практике посмотреть, что собой представляет шаговый двигатель, назначение устройства и принцип действия – попробуйте самостоятельно задать ему некоторые команды. Взяв последнюю разработку за основу, не проблема выполнить печатную плату, под заказ или даже своими силами, впаяв в нее необходимые ЭРЭ (почти все диоды, транзисторы, резисторы можно извлечь из отслужившей свое техники). Управление возможно осуществлять с обычного компьютера.

Полезные ролики по теме

Если на эксперименты нет времени или желания, и срочно нужен станок с надежным силовым агрегатом, вам есть из чего выбрать. Достойных производителей сегодня хватает, например, современное оборудование предлагает ижевский завод «Сармат», все модели которого отличаются эргономикой, эффективностью, высокой степенью безопасности.

Ну а напоследок посмотрите, как работает шаговый двигатель, видео помогут вам окончательно понять принцип действия данных приводов.

Урок №12.Сервоприводы Ардуино SG90, MG995: схема подключения и управление

Одним из важнейших элементов робототехники является сервопривод, с его помощью мы меняем направление робота, крутим датчики и другие элементы роботов, с его помощью двигаются манипуляторы, руки и ноги роботов.

В этой статье мы поговорим о сервоприводах в проектах Ардуино. Именно благодаря серводвигателям обычные электронные проекты становятся робототехническими. Подключение серво к Arduino проекту позволяет реагировать на сигналы датчиков каким-то точным движением, например, открыть дверцу или повернуть в нужную сторону сенсоры. В статье рассмотрены вопросы управления сервоприводами, возможные схемы подключения серво к ардуино, а также примеры скетчей.

Сервопривод для Ардуино

Сервопривод — это такой вид привода, который может точно управлять параметрами движения. Другими словами, это двигатель, который может повернуть свой вал на определенный угол или поддерживать непрерывное вращение с точным периодом.

Схема работы сервопривода основана на использовании обратной связи (контура с замкнутой схемой, в котором сигнал на входе и выходе не согласован). В качестве сервопривода может выступать любой тип механического привода, в составе которого есть датчик и блок управления, который автоматически поддерживает все установленные параметры на датчике. Конструкция сервопривода состоит из двигателя, датчика позиционирования и управляющей системы. Основной задачей таких устройств является реализация в области сервомеханизмов. Также сервоприводы нередко используются в таких сферах как обработка материалов, производство транспортного оборудования, обработка древесины, изготовление металлических листов, производство стройматериалов и другие.

Читать еще:  Что такое зубильный двигатель

В проектах ардуино робототехники серво часто используется для простейших механических действий:

  • Повернуть дальномер или другие датчики на определенный угол, чтобы измерить расстояние в узком секторе обзора робота.
  • Сделать небольшой шаг ногой, движение конечностью или головой.
  • Для создания роботов-манипуляторов.
  • Для реализации механизма рулевого управления.
  • Открыть или закрыть дверку, заслонку или другой предмет.

Конечно, сфера применения серво в реальных проектах гораздо шире, но приведенные примеры являются самыми популярными схемами.

Схема и типы сервоприводов

Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия — например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом — при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.

В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые — контроллеры.

Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.

Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов

Выделяют два основных вида серводвигателей — с непрерывным вращением и с фиксированным углом (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.

Материалы шестерней сервопривода

У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни. В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.

Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.

Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.

Титановые или карбоновые шестерни — самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.

Преимущества серводвигателей

Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.

Отличия серво и обычного двигателя

Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.

Отличия серво и шагового мотора

Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания. Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения.

Управление сервоприводом

Решающее значение в управлении сервоприводами выполняет управляющий сигнал, который представляет собой импульсы постоянной частоты и переменной ширины. Длина импульса – это один из важнейших параметров, который определяет положение сервопривода. Эту длину можно задать в программе вручную методом подбора через угол или использовать команды библиотеки. Для каждой марки устройства длина может быть различной.

Когда сигнал попадает в управляющую схему, генератор подает свой импульс, длительность которого определяется с помощью потенциометра. В другой части схемы происходит сравнение длительности поданного сигнала и сигнала с генератора. Если эти сигналы разные по длительности, включается электромотор, направление вращения которого определяется тем, какой из импульсов короче. При равенстве длины импульсов мотор останавливается.

Стандартная частота, с которой подаются импульсы, равна 50 Гц, то есть 1 импульс в 20 миллисекунд. При таких значениях длительность составляет 1520 микросекунд, и сервопривод занимает среднее положение. Изменение длины импульса приводит к повороту сервопривода – при увеличении длительности поворот осуществляется по часовой стрелке, при уменьшении – против часовой стрелки. Имеются границы длительности – в Ардуино в библиотеке Servo для 0° установлено значение импульса в 544 мкс (нижняя граница), для 180° — 2400 мкс (верхняя граница).

(Использовано изображение с сайта amperka.ru)

Важно учитывать, что на конкретном устройстве настройки могут несколько отличаться от общепринятых значений. У некоторых устройств среднее положение и ширина импульса может быть равной 760 мкс. Все принятые значения также могут незначительно отличаться из-за погрешности, которая может быть допущена при производстве устройства.

Способ управления приводом часто по ошибке называют PWM/ШИМ, но это не совсем корректно. Управление напрямую зависит именно от длины импульса, частота их появления не так важна. Корректная работа будет обеспечена как при 40 Гц, так и при 60 Гц, вклад внесет только сильное уменьшение или увеличение частоты. При резком спаде сервопривод начнет работать рывками, при завышении частоты выше 100 Гц устройство может перегреться. Поэтому правильнее называть PDM.

По внутреннему интерфейсу можно выделить аналоговые и цифровые сервоприводы. Внешних отличий нет – все различия только во внутренней электронике. Аналоговый сервопривод внутри содержит специальную микросхему, цифровой – микропроцессор, принимающий и анализирующий импульсы.

При получении сигнала аналоговый сервопривод принимает решение, менять или нет положение, и по необходимости подает на мотор сигнал с частотой 50 Гц. За время реакции (20 мс) могут произойти внешние воздействия, которые изменят положение сервопривода, и устройство не успеет среагировать. Цифровой сервопривод использует процессор, который подает и обрабатывает сигналы с большей частотой – от 200 Гц, поэтому он может быстрее отреагировать на внешние воздействия, быстрее развивать нужную скорость и крутящий момент. Следовательно, цифровой сервопривод будет лучше удерживать заданное положение. При этом для работы цифрового сервопривода требуется больше электроэнергии, что повышает их стоимость. Большой вклад в цену делает и сложность их производства. Высокая стоимость – единственный недостаток цифровых сервоприводов, в техническом плане они намного лучше аналоговых устройств.

Подключение серводвигателя к ардуино

Сервопривод обладает тремя контактами, которые окрашены в разные цвета. Коричневый провод ведет к земле, красный – к питанию +5В, провод оранжевого или желтого цвета – сигнальный. К Ардуино устройство подключается через макетную указанным на рисунке образом. Оранжевый провод (сигнальный) подключается к цифровому пину, черный и красный — к земле и питанию соответственно. Для управления серводигателем не требуется подключение именно к шим-пинам — принцип управления серво мы уже описывали ранее.

Не рекомендуется подключать мощные серво напрямую к плате , т.к. они создают для схемы питания Arduino ток, не совместимый с жизнью — повезет, если сработает защита. Чаще всего симптомы перегрузки и неправильного питания сервопривода заключаются в «дергании» серво, неприятному звуку и перезагрузке платы. Для питания лучше использовать внешние источники, обязательно объединяя земли двух контуров.

Скетч для управления сервоприводом в Arduino

Управление сервоприводом напрямую через изменение в скетче длительности импульсов — достаточно нетривиальная задача, но у нас, к счастью, есть отличная библиотека Servo, встроенная в среду разработки Arduino. Все нюансы программирования и работы с сервоприводами мы рассмотрим в отдельной статье. Здесь же приведем простейший пример использования Servo.

Алгоритм работы прост:

  • Для начала мы подключаем Servo.h
  • Создаем объект класса Servo
  • В блоке setup указываем, к какому пину подключен серво
  • Используем методы объекта обычным для C++ способом. Самым популярным является метод write, которому мы подаем целочисленное значение в градусах (для сервопривода 360 эти значения будут интерпретироваться по-другому).

Пример простого скетча для работы с сервоприводом

Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.

Эволюция приводов на базе шаговых двигателей

Если заглянуть в историю приводной техники, то можно увидеть, что шаговый двигатель (ШД) появился как дешевая альтернатива позиционному приводу. При этом отличительным и наиболее ценным его качеством являлась крайняя простота управления позицией вала — достаточно лишь в правильной последовательности подавать импульсы в обмотки двигателя и вал шагового двигателя начинает вращаться. Именно это достоинство служило основой массового использования ШД в устройствах автоматизации.

Читать еще:  В чем разница между 402 и 406 двигателем

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество — это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабарит-ных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.

Особенности шаговых приводов

Повышенный интерес к гибридным ШД, а так же новые требования, предъявляемые к качеству выполняемого движения, заставили пересмотреть способ его управления. Так как шаговому управлению, наряду с явными достоинствами, присущ ряд недостатков, которые значительно сужают области применения ШД. Наиболее существенными из них являются:

1. Повышенная вибрация.
Повышенная вибрация возникает при шаговом и полушаговом способах управления на постоянной скорости из-за бесконтрольного перехода вала ротора в новую позицию, определяемую состоянием обмоток. В результате вал ротора совершает затухающие колебания относительно новой позиции до момента поступления нового импульса в обмотки.

Частично решить проблему вибрации удалось за счет разработки микрошагового способа управления, который сводится к разбиению полного шага двигателя на несколько более мелких шагов.

2. Наличие резонансных зон в рабочем диапазоне скоростей.
Во время работы двигателя, по мере увеличения скорости вращения, характер колебаний также изменяется и при совпадении частоты поступления импульсов с собственной частотой механической системы возникает резонансное явление. В результате чего момент двигателя практически полностью исчезает, что не редко приводит к пропуску шагов. В свою очередь, пропуск шагов нарушает работу всей системы.

Чтобы исключить влияние пропуска шагов на качество выполняемых операций, специалисты-технологи вводят дополнительный цикл реинициализации по истечении определенного непродолжительного времени, что, безусловно, снижает производительность таких систем.

3. Низкая динамика.
Во время переходного процесса любой привод испытывает повышенные нагрузки, так как помимо статического момента двигатель разгоняет и останавливает инерционную нагрузку, приведенную к валу двигателя. В связи с тем, что шаговый привод без обратной связи не имеет информации о текущей внешней нагрузке и текущей позиции, процесс разгона выполняется «вслепую». Поэтому, чтобы избежать выхода из синхронизма, технолог вводит плавный разгон и торможение с существенным запасом. Данный способ формирования переходного процесса ограничивает потенциальные динамические возможности привода.

4. Наличие ярко выраженного стоп-момента.
При приближении зубьев ротора к полюсу статора происходит резкое притяжение полюса ротора к полюсу статора, что приводит к возникновению рывка, а при удалении зубьев от полюса возникает обратный эффект, приводящий к уменьшению скорости. При вращении вала двигателя эта особенность приводит к появлению высокочастотной вибрации. Данный эффект особенно ярко выражен на малых оборотах у мощных гибридных шаговых двигателей.

5. Высокая рабочая температура привода и низкий КПД.
Чтобы избежать прокручивания вала под воздействием внешних сил, ток в обмотки двигателя подается постоянно, независимо от нагрузки на его валу, поэтому привод потребляет энергию всегда, даже при нулевом противодействующем моменте, что приводит к низкому КПД и высокой рабочей температуре привода.

6. Низкая точность позиционирования.
Несмотря на то, что ШД в состоянии выполнять задачу позиционирования без датчика обратной связи, точность отработки задания не высока. Например, при использовании гибридного шагового двигателя с 50 эквивалентными полюсами ошибка позиционирования будет колебаться в диапазоне -0,9…+0,9 градусов, в зависимости от текущей статической нагрузки.

Пути решения проблем

Все описанные недостатки ограничивают области применения ШД. В то время, как потенциальный рынок достаточно велик и, по прогнозам экспертов, ситуация в ближайшие годы не изменится. Поэтому компании- разработчики заняты поиском новых решений существующих проблем. Такие пути уже намечены. Это:

1. Улучшение электромеханических свойств гибридного шагового двигателя.
В последнее время на рынке появились ШД с новыми конструктивными особенностями. К ним относятся двигатели с измененным воздушным зазором, измененной формой зуба и т.д. Одной из наиболее перспективных конструкций является пятифазный ШД, обеспечивающий достаточно высокую плавность хода. Однако привод на базе такого ШД существенно увеличивается в стоимости, как за счет стоимости самого двигателя, так и в связи с усложнением системы управления. При этом изменение механики не решает проблем, связанных с пропуском шагов и невысокой скоростью разгона, так как по-прежнему не контролируется текущая позиция вала двигателя.

2. Применение векторного управления.
Наиболее перспективным решением перечисленных проблем шагового привода является усовершенствование его метода управления.

Проблему пропуска шагов наиболее эффективно можно решить за счет внедрения в привод датчика позиции и использования высокопроизводительного сигнального процессора. Причем, во избежание значительного увеличения стоимости привода, возможным решением является разработка мехатронного привода на базе ШД, представляющего собой интегрированное устройство, в состав которого входит сам двигатель, система управления и датчик позиции вала. В этом случае в качестве датчика можно использовать бескорпусные ОЕМ-датчики.

Состав Сервопривода шагового

При наличии двух таких компонент как сигнальный процессор и датчик позиции в одном устройстве можно отказаться от использования шаговых методов управления и построить систему управления на основе алгоритма векторного управления. Данный метод уже давно используется в сервоприводах на базе синхронных и асинхронных двигателей.

Алгоритм векторного управления основан на поддержании угла 90 градусов между текущей позицией ротора в рамках одного полюса и вектором токов в обмотках двигателя.

Рис. 1. График зависимости электрического момента ШД от угла между текущей позицией и вектором токов.

Как видно из графика зависимости момента от угла между текущей позицией и вектором тока (Рис.1) максимальная эффективность достигается именно при угле 90 градусов.

При этом расчет текущего угла необходимо выполнять в реальном времени с высокой частотой, так как при формировании токов вал ротора всегда стремится в позицию, заданную вектором токов.

Такой способ обеспечивает высокую эффективность управления: исключается колебание момента, развиваемого двигателем и, как следствие — вибрация; обеспечиваются высокие динамические показатели; исключается пропуск шагов.

Однако в реализации векторного управления для сервопривода шагового (СПШ) есть своя специфика.

ШД имеет 50 эквивалентных пар полюсов в отличие от синхронного двигателя с 6-ю полюсами. В результате алгоритм векторного управления должен отрабатываться в процессоре с частотой свыше 20 кГц, чтобы обеспечить поддержание угла 90 градусов с приемлемой точностью на высоких скоростях вращения. Соответственно и несущая ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнала имеет ту же частоту. Как показывают исследования, компромиссной является частота 40 кГц, на которой максимальная скорость вращения, допустимая системой управления, достигает 12000 об/мин. При этом, силовые ключи (MOSFET) не переходят в режим усиления и, соответственно, обеспечивают приемлемый КПД привода.

Эффективное уменьшение влияния стоп-момента на неравномерность вращения в таком приводе достигается за счет использования замкнутого регулирования токами.

При резком увеличении скорости, связанной с наличием стоп-момента, двигатель вырабатывает противо ЭДС. Происходит изменение напряжения питания, что приводит к увеличению тока, протекающего в обмотках двигателя. Контур тока, который выполняет коррекцию задания токов каждые 25 мкс, успевает зафиксировать изменения тока и внести компенсационное воздействие, позволяющее сгладить резкие рывки вала двигателя, что и приводит к улучшению плавности хода. Оставшиеся низкочастотные колебания скорости исключаются замкнутым контуром управления скоростью. В результате неравномерность вращения определяется лишь разрешающей способностью датчика скорости (Рис. 2. ).

Рис. 2. Неравномерность вращения вала ротора шагового двигателя на различных скоростях при использовании векторного управления.

Как видно из рисунка, колебания относительно заданной скорости составляют ±1 дискрету датчика обратной связи во всем диапазоне скоростей. Например, при использовании датчика с разрешением 160000 импульсов на оборот глубина регулирования достигает 15000:1, т.е. разрешение приводапо скорости составит 0.1875 об/ мин. При этом неравномерность вращения на 100 об/мин не превысит 0.5%.

Наличие такой системы управления позволяет отказаться от дорогих пятифазных ШД. Достаточно использовать обычный гибридный ШД, при этом все его минусы «сглаживает» электроника.

Использование замкнутого регулирования током дает еще одно немаловажное преимущество — увеличение КПД привода.

Увеличение КПД привода происходит за счет того, что задаваемые токи в обмотках двигателя соответствуют нагрузке на валу двигателя. Повышенный ток подается только при появления внешнего противодействия, в отличие от разомкнутого микрошагового способа управления, где ток в обмотки двигателя подается всегда даже при нулевом противодействующем моменте.

Сервопривод шаговый, с использованием векторного управления с замкнутым контуром тока позволяет формировать предельно допустимый электрический момент во время переходного процесса. Это позволяет добиться исключительно высокой динамики без опасения перегорания обмоток и без пропуска шагов.

Например, время выполнения реверса на 500 об/мин выполняется за 18 мс, в то время как эквивалентный по мощности шаговый привод с микрошаговым управлением выполнит данную задачу лишь за 100 мс.

Схема замкнутого регулирования

Новые возможности

Помимо основного функционала, наличие на «борту» сервопривода современного сигнального процессора позволяет реализовать в рамках системы управления множество дополнительных функций, таких как:

• Программируемый логический контроллер.

• Обработка концевых датчиков.

•Защита от пониженного и повышенного напряжения питания.

•Торможение с регулированием вырабатываемого противо ЭДС.

Наличие перечисленных функций позволяет увеличить надежность системы, снизить износостойкость оборудования, а в ряде случаев исключить внешний контроллер управления движением.

Вывод

Использование передовых методов управления делает возможным применение шаговых двигателей в современных сервосистемах наряду с сервоприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей. В свою очередь, использование мехатронного подхода обеспечивает снижение себестоимости такого привода до приемлемых значений, что традиционно свойственно шаговым приводам.

к.т.н. Тихонов А.О.
Руководитель отдела исследований и разработок компании «Сервотехника»,

Цывинский М.М.
Инженер отдела исследований и разработок компании «Сервотехника»

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector