• Новости индустрии
• Новости

Руководство для начинающих по шаговым двигателям и их функционированию

Шаговые двигатели, небольшие, но мощные, преобразуют электрические импульсы в точные движения, что делает их незаменимыми в таких устройствах, как 3D-принтеры и станки с ЧПУ. Их ключевое преимущество заключается в точном позиционировании без дополнительных датчиков, используя магниты и электромагнитную индукцию для перемещения с определенным шагом. Конструкции, включающие постоянные магниты, переменное сопротивление и гибридные типы, позволяют удовлетворить различные потребности в производительности. Экономичные и простые в управлении, они требуют правильной проводки, выбора драйвера и регулярного обслуживания, чтобы избежать таких проблем, как перегрев или пропуск шагов. Мировой спрос продолжает расти, что обусловлено тенденциями автоматизации и миниатюризации, и обещает надежное будущее.

Шаговый двигатель - это специальный мотор, который двигается небольшими шагами. Он двигается каждый раз, когда вы посылаете ему электрический сигнал. Вы можете очень хорошо контролировать его движение. Этим шаговые двигатели отличаются от обычных.

Шаговые двигатели могут перемещаться в точки с высокая точность. Они могут остановиться именно там, где вы хотите.

Во многих устройствах используются шаговые двигатели, потому что они двигаются равномерными шагами.

Мировой рынок шаговых двигателей становится все больше. К 2032 году он может достичь $8,33 миллиарда.

Тип двигателя	Диапазон стоимости (за ось)
Шаговые двигатели	$40 - $80
Серводвигатели	$150 - $300 (начальный уровень) / $500 - $1,000 (промышленный класс)

Если вам нужны простые и повторяющиеся движения, шаговые двигатели - отличный выбор.

Основные выводы

Шаговые двигатели двигаются крошечными, точными шагами. Это помогает им двигаться в нужную точку без дополнительных датчиков. Эти двигатели хорошо работают, когда вам нужны устойчивые и повторяющиеся движения. Они используются в таких устройствах, как 3D-принтеры и станки с ЧПУ. Выбирая шаговый двигатель, подумайте о том, как далеко он должен двигаться. Также подумайте, насколько быстрым и точным он должен быть. Также следует проверить место, где он будет использоваться. Это поможет вам выбрать лучший вариант для вашего проекта. Шаговые двигатели могут перегреваться или пропускать шаги. Регулярные проверки и использование правильных настроек могут предотвратить эти проблемы. Сейчас все больше людей покупают шаговые двигатели. Это делает их хорошим выбором для многих видов работ и отраслей промышленности.

Что такое шаговый двигатель

Простое определение

A шаговый двигатель это специальный электродвигатель. Он движется небольшими шагами, а не плавно вращается. Каждый сигнал заставляет его поворачиваться на определенную величину. Это позволяет очень хорошо контролировать его положение. Люди используют шаговые двигатели в машинах, которым необходимо перемещаться в точные места. Примером могут служить 3D-принтеры и роботы.

Вот два формальных определения от инженеров:

Определение	Описание
Шаговый двигатель	Бесщеточный электродвигатель постоянного тока, который вращается с шагом, когда вы подаете на него постоянное напряжение. Он работает в системах с открытым контуром. Вы можете управлять его положением, считая шаги.
Шаговый двигатель	Электродвигатель, поворачивающий свой вал на фиксированное число градусов. Это позволяет отслеживать угол поворота без датчиков.

�� Совет: Вам не нужны дополнительные датчики для шаговый двигатель. Достаточно посчитать шаги, чтобы понять, куда он указывает.

Основные характеристики

A шаговый двигатель У него есть особенности, которые делают его полезным. Вот некоторые из них:

Точное позиционирование: Вы можете переместить его в нужное место. Он может останавливаться с точностью до ±0.05°. Это лучше, чем у многих других моторов.

Высокая отзывчивость: Сайт шаговый двигатель быстро реагирует на ваши сигналы. Он движется с каждым посылаемым вами импульсом.

Сильный крутящий момент на низких скоростях: Он обеспечивает хорошую мощность на низких и средних скоростях. Это помогает при необходимости стабильного движения.

Длительный срок службы: Большинство шаговые двигатели последний о 10 000 часов. При правильной эксплуатации некоторые из них служат десятки тысяч часов. Если вы используете его в течение одной восьмичасовой смены каждый день, он может прослужить почти пять лет. Некоторые двигатели могут работать до 20 лет, в зависимости от подшипников и того, как вы их используете.

Простое управление: Вам не нужны системы обратной связи или датчики. Вы просто считаете шаги, чтобы узнать его положение.

Характеристика	Шаговые двигатели	Другие двигатели (например, сервоприводы)
Точность остановки	±0,05° (±1,4 мкм с шариковым винтом)	±10 мкм (грунт), ±20 мкм (прокат)
Характеристики крутящего момента	Высокий уровень в диапазоне низких/средних скоростей	Плоский от среднего до высокого диапазона
Отзывчивость	Высокий уровень, работает синхронно с импульсом	Задержки из-за обратной связи с энкодером

У вас могут возникнуть проблемы с шаговые двигатели. Вот общие вопросы и что их вызывает:

Общая проблема	Возможные причины
Привод шагового двигателя не перемещается	Провода не подключены, плохие драйверы, неправильные импульсные сигналы, слабое питание или что-то блокирует его.
Чрезмерный шум или вибрация во время работы	Неправильное подключение нагрузки, старые подшипники, неправильные настройки.
Проблемы с перегревом привода шагового двигателя	Слишком большой ток, недостаточное количество воздуха, неправильные настройки драйвера.
Неожиданные отключения в приводах с шаговыми двигателями	Проблемы с питанием, цепями тепловой защиты или программным обеспечением.

Вы можете избежать большинства проблем, проверяя провода и поддерживая двигатель в чистоте.

Используйте правильные настройки для вашего проекта.

Примечание: Как долго ваш шаговый двигатель Срок службы зависит от того, как и где вы его используете. Правильный уход помогает продлить срок службы.

Как работает шаговый двигатель

Структура: Ротор и статор

Внутри шагового двигателя есть две основные части. Ротор находится в центре и вращается при работе двигателя. Он может быть сделан из магнита или специального железного сердечника. Многие шаговые двигатели имеют три части ротора: роторный стакан 1, роторный стакан 2 и постоянный магнит. Северный и южный полюса магнита расположены по всей длине ротора.

Статор вращается вокруг ротора и не движется. Статор имеет много магнитных полюсов, часто десять. Вокруг каждого полюса намотана проволочная катушка. Когда электричество проходит через катушки, статор создает магнитное поле. Это поле толкает и тянет ротор, заставляя его двигаться. То, как устроены ротор и статор, позволяет управлять шаговым двигателем небольшими, точными шагами.

Совет: Катушки статора создают магнитное поле, которое притягивает ротор. Количество полюсов и катушек изменяет количество шагов, которые двигатель может сделать за один оборот.

Принцип работы

Шаговый двигатель двигается крошечными, контролируемыми шагами. Это происходит благодаря принципу работы. Когда вы подаете электрический ток на катушки статора, они создают магнитное поле. Это поле тянет ротор так, что он выстраивается в одну линию со статором. Если включить катушки в определенном порядке, ротор переместится в следующую точку. Каждый раз, когда вы меняете катушку, на которую подается питание, ротор переходит в новое положение. Именно поэтому шаговый двигатель движется шагами, а не плавно вращается.

"Шаговый двигатель - это бесщеточный двигатель постоянного тока, который делит полный оборот на равные шаги. Обычные двигатели вращаются постоянно, а шаговые двигатели двигаются небольшими шагами. Каждый шаг соответствует определенному углу. Это делает их отличными для работ, где требуется точное перемещение или позиционирование.

Основной принцип работы шагового двигателя - электромагнитная индукция. Когда электрический ток проходит через катушки статора, он создает магнитное поле. Это поле взаимодействует с ротором. Включая катушки статора в особом порядке, двигатель вращается небольшими, контролируемыми шагами".

Вы управляете шаговым двигателем, посылая электрические импульсы. Каждый импульс заставляет ротор двигаться на заданный угол, называемый шагом. Размер каждого шага зависит от того, как устроены ротор и статор. Некоторые шаговые двигатели перемещаются на 1,8° за шаг, поэтому для одного полного оборота требуется 200 шагов. Другие могут двигаться с еще меньшим шагом для большего контроля.

Ротор и статор работают вместе, чтобы придать шаговому двигателю особое движение. Магнитное поле статора захватывает ротор и удерживает его, пока вы не отправите следующий импульс. Это позволяет перемещать двигатель в точные точки без дополнительных датчиков.

Тип характеристики	Описание
Динамические характеристики	Они влияют на то, как двигатель запускается или вращается, и изменяют скорость его работы.
Статические характеристики	Они влияют на изменение угла при остановке и меняют точность работы оборудования.
Максимальный удерживающий момент (TH)	Это наибольший крутящий момент, когда двигатель работает, но не движется.
Момент вытягивания	Это наибольший крутящий момент, который двигатель может создать на каждой скорости.
Угол - характеристики крутящего момента	Это показывает, как изменяются угол и крутящий момент при воздействии силы на вал двигателя.

Шаговый двигатель Потребляет энергию, даже когда не двигается. Ему нужен ток, чтобы удерживать свое положение. Из-за этого двигатель может нагреваться и быть менее эффективным, чем другие двигатели, например серводвигатели, которые потребляют энергию только при перемещении или удержании нагрузки.

Если вы хотите узнать, как работает шаговый двигатель, запомните эти моменты: Статор создает магнитное поле, питая свои катушки. Ротор направляется в это поле и перемещается по шагам, когда вы меняете, какие катушки получают питание. Двигатель работает за счет электромагнитной индукции и тщательной синхронизации электрических импульсов. Такая конструкция позволяет очень хорошо контролировать положение и движение двигателя.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типы шаговых двигателей. Каждый тип работает по-своему. Каждый из них подходит для разных работ. Знакомство с ними поможет вам выбрать подходящий двигатель.

Постоянный магнит

Шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют магнит в роторе. Такая конструкция позволяет очень хорошо контролировать движение. Она также обеспечивает сильный крутящий момент на низких скоростях. Эти двигатели просты и надежны в работе. Их можно встретить в роботах и станках с ЧПУ. Они также используются в 3D-принтерах. Они также используются в медицинских приборах и электронике.

Характеристики	Приложения
Точное управление	Робототехника
Высокий крутящий момент на низких скоростях	Станки с ЧПУ
Простая конструкция обеспечивает надежность и эффективность	3D-принтеры
Универсальность	Медицинские приборы
Необходимость в современной автоматизации	Потребительская электроника

Совет: Шаговые двигатели с постоянными магнитами двигаются плавно и легко настраиваются. Используйте их, когда вам нужна точность и надежность.

Переменное сопротивление

Шаговые двигатели с переменным шаговым сопротивлением - самый простой тип. Ротор не имеет обмоток. Он изготовлен из мягкого железа с зубцами. В статоре есть катушки, которые создают магнитное поле. Когда вы подаете напряжение, ротор перемещается в наиболее удобное место. Эти двигатели не создают вращающего момента. Ротор не является магнитом.

В роторе используется мягкое железо и много зубьев.

Статор изготовлен из кремниевой стали и имеет катушки.

Место ротора зависит от зубьев и сопротивления.

Статор имеет четное количество полюсов для легкого запуска и двустороннего вращения.

Эти двигатели имеют меньший крутящий момент, но поддерживают более высокую скорость.

Они могут быть шумными, поэтому не подходят для тихих мест.

Примечание: Шаговые двигатели с переменным сопротивлением хороши для обучения. Вы можете использовать их для работ, требующих средней или высокой скорости.

Гибрид

Гибридные шаговые двигатели сочетают в себе черты двух других типов. Они обеспечивают высокое разрешение, скорость и крутящий момент. Ротор имеет зубцы и намагничен по всей длине. Такая конструкция работает лучше, но стоит дороже.

Характеристика	Гибридные шаговые двигатели	Двигатели с постоянным магнитом	Двигатели с переменной индуктивностью
Крутящий момент	Увеличение момента фиксации, удержания и динамического момента	Умеренный крутящий момент	Меньший крутящий момент
Пошаговое разрешение	Более высокое разрешение (0,9°, 1,8°)	Умеренное разрешение	Низкое разрешение
Скорость	Подходит для скорости вращения менее 1 000 об/мин	Более высокие скоростные возможности	Ограниченные скоростные возможности
Сложность строительства	Более сложный из-за гибридной конструкции	Более простая конструкция	Более простая конструкция
Стоимость	Более высокая стоимость из-за сложности	Умеренная стоимость	Низкая стоимость

Гибридные шаговые двигатели лучше всего подходят для работ, требующих высокой точности и крутящего момента. Они хорошо работают в современных машинах и оборудовании.

Совет: Гибридные шаговые двигатели дают наилучшие результаты. Выбирайте их для задач, требующих тщательного контроля и большой мощности.

Проводка шагового двигателя

Когда вы работаете с шаговым двигателем, вам необходимо знать, как соедините провода. Проводка влияет на работу двигателя и степень контроля. Вы увидите три распространенные схемы подключения: 4-проводная, 6-проводная и 8-проводная. Каждый тип дает вам различные возможности для подключения к драйверам и управления движением.

4-Wire

Подключить 4-проводной шаговый двигатель очень просто. Внутри двигателя есть две катушки. Каждая катушка имеет два провода. Вы подключаете A+ и A- к одной катушке, а B+ и B- - к другой. Вы можете найти пары проводов, сверяясь с техническим паспортом, используя омметр или скручивая провода и нащупывая изменения сопротивления. Эта схема хорошо работает со многими драйверами, например с контроллером ЧПУ Buildbotics.

Две катушки, каждая с двумя проводами

Легкая идентификация пар проводов

Работает с распространенными драйверами

Совет: Перед подключением всегда изучайте технический паспорт двигателя. Это поможет вам избежать ошибок и сохранит ваш шаговый двигатель в безопасности.

6-проводной

6-проводной шаговый двигатель дает больше возможностей. Каждая катушка имеет три провода: два конца и центральный отвод. Центральный отвод можно использовать для однополярный режим. В униполярном режиме вы подключаете центральный провод к питанию. Это позволяет току течь в одном направлении через каждую половину катушки. Если вам нужен больший крутящий момент, вы можете игнорировать центральный отвод и использовать биполярный режим. В биполярном режиме ток подается на всю катушку в обоих направлениях.

Вы можете переключаться между однополярным и биполярным режимами. Такая гибкость позволяет подобрать двигатель в соответствии с потребностями проекта.

8-проводной

Восьмипроводной шаговый двигатель предлагает наибольшее количество вариантов подключения. Вы можете соединять провода последовательно или параллельно. Это изменит работу двигателя на разных скоростях. Сайт В таблице ниже показано, как каждый способ подключения влияет на крутящий момент:

Конфигурация проводки	Крутящий момент на низких скоростях	Крутящий момент на высоких скоростях
Униполярный	Умеренный	Умеренный
Биполярная полукатушка	Умеренный	Хорошо
Биполярная серия	Высокий	Умеренный
Биполярный параллельный	Высокий	Высокий

Фрезерные станки с ЧПУ требуют высокого крутящего момента при низких скоростях. Для таких станков лучше всего подходит биполярная последовательная проводка.

Если вам нужна очень высокая скорость, биполярное подключение половины катушки дает лучшие результаты.

Примечание: 8-проводной шаговый двигатель позволяет выбрать оптимальную конфигурацию для вашего приложения. Вы можете настроить проводку, чтобы получить крутящий момент и скорость, которые вы хотите.

Управление шаговым двигателем

Управляющие сигналы

Управляющие сигналы указывают шаговому двигателю, как двигаться. Эти сигналы определяют шаги и направление. Наиболее распространенными сигналами являются импульсные сигналы и сигналы направления. Каждый импульс заставляет двигатель двигаться на один шаг. Сигнал направления показывает, в какую сторону вращается двигатель. С помощью современного контроллера можно посылать множество импульсов каждую секунду. Это позволяет быстро изменять скорость и положение.

Управляющие сигналы могут выглядеть по-разному. Вы можете использовать Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для изменения мощности, делая каждый импульс шире или тоньше. Синусоидальное управление использует плавную волну, чтобы помочь двигателю работать тихо и точно. Некоторые системы используют односторонний ШИМ, который посылает квадратные волны. Другие используют дифференциальную ШИМ, которая посылает две волны для лучшего контроля.

Тип управляющего сигнала	Описание
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)	Изменяет ширину импульса для управления мощностью, часто с помощью микроконтроллеров.
Синусоидальное управление	Используется синусоидальная волна для плавного и точного управления.
Односторонний ШИМ	Посылает сигналы квадратной волны с заданной частотой.
Дифференциальный ШИМ	Использует две формы волны для более точного управления.

Совет: Вы можете использовать микроконтроллер для создания управляющих сигналов. Это позволит вам легко управлять скоростью и направлением движения.

Драйверы и микроконтроллеры

Драйвер соединяет ваши управляющие сигналы с двигателем. Драйвер принимает сигналы и посылает нужное напряжение и ток на катушки двигателя. Драйвер нужен потому, что микроконтроллер сам по себе не может обеспечить достаточную мощность. Различные драйверы обеспечивают разный контроль и производительность.

Тип водителя	Плюсы	Cons
L/R (с регулировкой сопротивления)	Простой и дешевый дизайн	Не подходит для высоких скоростей
Чоппер (постоянный ток)	Работает эффективно	Схема более сложная
Микрошаговые драйверы	Делает движения очень плавными	Может снижать крутящий момент при небольших шагах
Интеллектуальные шаговые драйверы	Обеспечивает диагностику в режиме реального времени	Затраты больше

Вы можете использовать микроконтроллер, как PIC16F877A, чтобы создать управляющие сигналы для драйвера. Микроконтроллер позволяет программировать движение двигателя. Он включает драйвер, который питает двигатель. В коде можно задать скорость, направление и размер шага. Контроллер шагового двигателя использует и микроконтроллер, и драйвер для точного управления.

Микроконтроллеры подают управляющие сигналы в правильном порядке.

Драйвер усиливает эти сигналы, чтобы привести двигатель в движение.

Вы можете запрограммировать микроконтроллер для специальных задач управления.

 Примечание: Вы получите наилучшие результаты, если выберете правильный драйвер для вашего двигателя и потребностей в управлении.

Выбор шагового двигателя

Факторы выбора

Когда вы выбираете шаговый двигатель, вам нужно подумать о нескольких вещах. Вы хотите, чтобы двигатель соответствовал вашему проекту. Во-первых, определите, на какое расстояние должен двигаться двигатель. Затем решите, как быстро он должен это сделать. Вам также нужно знать, насколько точным должно быть движение. В некоторых проектах нужны маленькие шаги. В других можно использовать более крупные шаги.

Вот некоторые важные моменты для проверки:

* Какое расстояние проходит двигатель

* Наибольшее количество времени, отведенное на переезд

* Насколько точно останавливается двигатель

* Если двигатель проходит мимо цели

* Время, необходимое для успокоения двигателя после перемещения

* Разрешение шага, в зависимости от размера шага и конструкции

* Трение в вашей установке

* Инерция, которая влияет на скорость старта и остановки.

* Необходимая скорость и крутящий момент

* Соотношение крутящего момента и инерции для быстрого старта

* Дополнительный крутящий момент для повышения производительности

Также следует подумать о том, где вы будете использовать двигатель. Сильная жара может привести к перегреву двигателя и ухудшению его работы. Влажность и пыль могут сократить срок службы двигателя. Если вы работаете в сложных условиях, выбирайте двигатель с высоким классом защиты IP. Это защитит его от воды и пыли.

Совет: Всегда выбирайте шаговый двигатель, соответствующий вашему проекту и месту его использования.

Общие приложения

Шаговые двигатели используются во многих областях. Они помогают машинам двигаться с точностью и повторять шаги. Вот некоторые способы, которыми пользуются люди:

В 3D-принтерах используются шаговые двигатели для управления печатающей головкой и станиной.

Станки с ЧПУ используют шаговые двигатели для резки и придания формы.

Роботы используют шаговые двигатели, обеспечивающие точность движений и высокую мощность.

Шаговые двигатели также используются в электронике и автоматике. Например, в камерах смартфонов используются крошечные шаговые двигатели для быстрой и четкой фокусировки. Машины для маркировки на заводах по производству продуктов питания и лекарств используют шаговые двигатели для повышения скорости и точности.

Приложение	Описание	Точность
Автофокусировка камеры смартфона (iPhone)	Крошечный шаговый двигатель, быстрая фокусировка, без задержки затвора	±0.05°
Этикетировочные машины	Более точные этикетки и более быстрая работа	±0,5 мм

Вы видите, что шаговые двигатели помогают многим устройствам работать лучше и чаще.

Шаговый двигатель превращает электрические импульсы в точные шаги. Это позволяет очень хорошо контролировать положение. Вы получаете мало ошибок и экономите деньги на многих проектах. Выбирая шаговый двигатель, подумайте о том, как вы хотите, чтобы он двигался. Также учитывайте скорость, вес, режим работы шагового двигателя и проводку.

Вы можете прочитать такие руководства, как Все о шаговых двигателях. Вы также можете посещать такие занятия, как Освоение шаговых двигателей: Курс по робототехнике на Arduino чтобы узнать больше.

Шаговые двигатели становятся все умнее и меньше. Они также становятся сильнее. Попробуйте использовать их и посмотрите, что у вас получится!

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Чем шаговый двигатель отличается от обычного?

Шаговые двигатели двигаются небольшими шагами. Вы управляете каждым шагом с помощью электрического импульса. Обычные двигатели вращаются плавно. Шаговые двигатели позволяют задавать точные позиции. Вам не нужны дополнительные датчики.

Совет: используйте шаговые двигатели, когда вам нужно точное управление.

Можно ли запустить шаговый двигатель без драйвера?

Шаговый двигатель нельзя запустить напрямую от микроконтроллера. Драйвер усиливает сигналы и дает достаточную мощность. Всегда используйте драйвер, чтобы защитить двигатель и получить плавное движение.

Как выбрать подходящий шаговый двигатель для вашего проекта?

Проверьте, какие требования предъявляются к скорости, крутящему моменту и точности вашего проекта. Обратите внимание на угол шага двигателя и тип проводки. Подберите двигатель в соответствии с условиями работы. Для получения подробной информации используйте технические паспорта.

Фактор	Что проверить
Скорость	Необходимое число оборотов
Крутящий момент	Вес груза
Точность	Угол поворота

Почему шаговый двигатель нагревается во время работы?

Шаговые двигатели потребляют энергию, даже когда удерживают положение. Это приводит к их нагреву. Высокий ток или плохой поток воздуха могут вызвать перегрев. Убедитесь, что вы используете правильные настройки и держите двигатель в прохладе.

Каковы общие проблемы с шаговыми двигателями?

Вы можете заметить пропущенные шаги, шум или перегрев. Проверьте проводку, настройки драйвера и источник питания. Очистите двигатель и используйте правильные настройки, чтобы избежать большинства проблем.

Примечание: Регулярные проверки помогут вашему шаговому двигателю прослужить дольше.