Что такое clock в шаговом двигателе

Популярные заблуждения о шаговых электродвигателях и их разъяснения

Даже опытные инженеры часто имеют не совсем верное представление о шаговых электродвигателях и способах управления ими. В данной статье мы разберем лишь несколько основных заблуждений что, надеюсь, поможет и новичкам и бывалым инженерам при выборе драйверов управления. Было бы хорошо разобрать все особенности, но тогда эта статья превратилась бы в книгу.

В этой статье речь пойдет о биполярных шаговых электродвигателях, поскольку они являются наиболее популярными в использовании на сегодняшний день. Униполярные шаговые электродвигатели все еще используются в некоторых устройствах, однако их популярность с каждым годом снижается. Это снижение обуславливается преобладанием относительно недорогих драйверов для биполярных двигателей. Учитывая снижение стоимости управления, почему бы не использовать биполярные шаговые электродвигатели? В конце концов у них есть еще один плюс – больший крутящий момент.

Управление шаговым двигателем с помощью Arduino

В этом посте я постараюсь вкратце рассказать про шаговые электродвигатели, и как с ними можно работать с помощью нашего любимого ардуино.

Многие из вас знакомы с маленькими моторчиками, из которых исходят всего 2 провода, они часто встречаются в детских игрушках, например, в машинках.

Это коллекторные электродвигатели постоянного тока. Они могут напрямую подключатся к источнику питания и будут всегда вращаться с постоянной скоростью, в зависимости от подаваемого напряжения. Если необходимо изменить направление вращения, то на нашем моторе нужно просто поменять местами «+» и «-» и он сразу начнёт крутиться в другую сторону. За счёт их простой конструкции, они имеют небольшую стоимость и простоту в управлении.

Но есть ещё один из распространенных типов двигателей — это шаговые электродвигатели.

Вы могли их встречать, если разбирали CD-DVD привода, жёсткие диски, принтеры или другие электронные устройства, в механической части которых нужно чётко контролировать обороты, перемещения или другие необходимые кинематические движения.

Вот так выглядит шаговый электродвигатель с винтовым валом из оптического привода:

Как видно — здесь уже больше, чем 2 провода и напрямую подключить такой мотор к источнику питания просто так не получиться из-за совсем другой конструкции самого двигателя. Если для нашего первого моторчика достаточно было подать «+» и «-» на соответственные клемы и он начинал вращаться, то для шагового электродвигателя нужно подавать цифровые электронные сигналы управления, которые будут сообщать двигателю на сколько и в какую сторону ему необходимо вращаться. Это возможно осуществить с помощью устройства, которое будет генерировать и отправлять эти сигналы на драйвер, а он, в свою очередь, напрямую управлять обмотками двигателя.

Мы рассмотрим пример, как подключить шаговый электродвигатель к Arduino Mega 2560 — именно оно и будет тем устройством, которое генерирует нужные электронные сигналы управления.

Я взял мотор формата Nema 17 — это гибридный шаговый двигатель, который часто встречается в 3Д принтерах, ЧПУ системах, робототехнике и т.д.

Фото двигателя в разрезе:

Драйвер на микросхеме TB6600 — это довольно неплохой контроллер, который можно использовать с двигателями до 4.5 А, 50 В. Для домашних 3Д принтеров и ЧПУ систем его полностью достаточно.

Чтобы драйвер работал, необходим внешний источник питания с напряжением 8-50 В (рекомендуется 36 В). Именно с него наш двигатель будет получать энергию для своей работы. А логические сигналы Dir — направление вращения и Pulse — сигнал шага, драйвер будет получать от ардуино.

У данного двигателя 4 обмотки: A+, A-, B+, B-, их нужно соединить с соответствующими выходами на плате драйвера.

Для управления шаговым двигателем можно использовать различные библиотеки, которые упрощают жизнь, если необходимо как-то динамически управлять двигателем, например «AccelStepper» и тому подобные. Также есть различные программные комплексы для управления 3Д принтерами или ЧПУ станками.

Мы же рассмотрим простой пример вращения двигателя с постоянной скоростью, который не сложно будет повторить всем желающим. Также, так ещё удобно проверять общее состояние двигателя.

Здесь написан цикл, который беспрерывно будет отправлять логические сигналы к нашему драйверу, а он уже на двигатель.

Примерно так всё работает:

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Дубликаты не найдены

Arduino & Pi

1K постов 17.9K подписчика

Правила сообщества

В нашем сообществе запрещается:

• Добавлять посты не относящиеся к тематике сообщества, либо не несущие какой-либо полезной нагрузки (флуд)

• Задавать очевидные вопросы в виде постов, не воспользовавшись перед этим поиском

• Выкладывать код прямо в посте — используйте для этого сервисы ideone.com, gist.github.com или схожие ресурсы (pastebin запрещен)

• Рассуждать на темы политики

P.S. Сильно в теорию я не вдавался, потому что на это нужен не один пост, да и не всем она понравится 🙂

Почему хотя бы не рассказать об отличиях униполярного от биполярного двигателя? Почему не привести схему модуля(хотя бы из даташита на микросхему)?
Ладно упущен режим микрошага, но основу то можно было скопипастить написать.
Зачем было использовать ардуину? Много нагляднее было бы пару кнопок повесить.

Спасибо за совет, в будущем буду стараться поместить всё в один пост.

Зачем было использовать ардуину? Много нагляднее было бы пару кнопок повесить.

Не совсем понял вопрос

Просто хотелось показать пример именно с ардуино, ведь с ним можно открыть больше возможностей, чем просто «отправлять шаг».

Точно, две обмотки А и Б, соответственно + и — на каждой обмотке.

Спасибо, что нашёл ошибку, она как-то автоматически получилась — вижу четыре буквы на плате — пишу, что четыре обмотки)

Если бы копипастил, то думаю, что не сделал такую глупую ошибку, с головы старался писать.

Ребят, вижу тут есть знающие люди.
Собираю фотопиццу (мало ли кто знаком), не крутит шаговый двигатель, бывает после танцев с бубном крутит, но очень странно (не по программе).

Драйвер шагового двигателя менял — не помогло

В чем может быть проблема?

а будет электрическая схема? =) мотор гудит когда не крутится?

Нет, он может включаться раза с 5-6, тогда и гудит и крутит (херово но крутит), как будто где-то плохой контакт, хотя менял провода, прозванивал — все в порядке.
По этой схеме делал, только у меня шиелд а тут просто экран.

@BesttseB, проверь код, а именно повнимательнее, где задается частота импульсов. Возможно слишком большая частота импульсов, движок просто ахреневает. Попробуй отдельно протетстить шаговик+МК+твой код, без обвеса. У меня было, что движок сначала разгонялся, потом из-за большой частоты стопорился и когда уменьшалась, то он снова продолжал крутиться.

Автор показывает, как быстро и равномерно крутится шаговый двигатель. Ясно. Понятно. Тема раскрыта на 10 из 10.

а обязательно покупать эту здоровую мандулу? DRV8825 прекрасно справляется с шаговиками до NEMA17 включительно и стоит в несколько раз дешевле + под них на ардуины есть такиеже дешманские шилды — например ардуино 2560 + шилд + 5 драйверов = 1050рублей на али

4988 не то, чтобы хуже, но в DRV8825 можно микрошаг поменьше поставить(актуально для станков с ременнойзубчатой передачей и 3D принтеров) и, как мне кажется, на DRV8825 шаговики звучат благороднее =)

Не конечно, для каждой цели целесообразен тот или иной драйвер. Просто у меня был в наличии только этого формата (остался после ЧПУ системы: https://youtu.be/N3xBpIMORf4 )

а можно статью про то, как с компа управлять этим всем. желательно с кодом.

т.е., допустим, мне надо,чтобы после нажатия кнопки на компе, двигатель совершал серию поворотов. как это программируется?

Serial гугли. С компа посылаешь строку на ардуину, она разбирает её и выполняет команду по аргументам.

а с компа в зависимости от языка просто посылаешь в серийный порт строку.

Аргументы придумать не сложно.

Можно заморочиться с wi-fi или ethernet shield, там поднять веб-сервер и из браузера делать запросы. Например, NodeMCU умеет из коробки это, т.к. на ней встроен в-ф

такое ощущение, что автор и рад бы нам рассказать о шаговиках, но не разбирается в теме абсолютно. вешать NEMA17 на такой монструозный драйвер? перепутать количество обмоток? использовать такой дикий метод управления?

хотя бы схему шаговика в пэинте нарисовали, авось сами разобрались бы, как он работает.

Похоже, этим драйвером мотор от сидюка не запустишь — напряжение слишком высокое. У мотора +5в, а питание драйвера от 8 в начинается.

Вот расскажите мне как вы к этим двигателям приделываете достойно какую нибудь звездочку или сверлышко?

. ну т.е. у меня на одном таком движке было по маркировке до 38V и 3А максимальная подача (оптимальное 12V & 1.5A), где то около 30V&3A подавал. Как бы я не крепил это сверло, болтами, суперклеем, и тем и тем, эпоксидкой также вместе взятой и т.д. и т.п. в т.ч. и резал/сверлил это чертову маленькую ось, чтоб хоть как в неё вцепиться (по сути надо было его в таком режиме использовать весьма недолго, так что должно было быть норм), всё срывало! . если застревало хоть в мало-мальски не протачиваемом проёме, т.к. крутилось бешено, то даже небольшое торможение со временем всё равно давало срыв и приходилось монтажить заново. Да конечно я и искал напряжение оптимальное, но это либо получалось дико долгое сверление, которое добивало, либо срывало.

Вот как вы за такую ось цепляетесь нормально? . такая ж мелкая сволочь.

..Эпоксидка блин, ну ты даёшь)

ааа оказывается это цангой называется) а я её получается самодельную делал из болтов, еще и моментов поверх заливал, тоже срывало (

И да еще когда звездочку надевал, то хотелось бы чтоб при сильной нагрузке она бы просто становилась вместе с осью и тянуло бы, и можно было бы в зависимости от того на сколько ей тяжело тянуть, то увеличивать нагрузку тока, то уменьшать, а так получается ты ей увеличиваешь нагрузку и эта ось еще и нафиг просверливает в твоей звездочке еще большую дырень, также из-за того само греется от дикого трения тоже. И там вообще мне ничего не помогало. Оставался только один вариант — согнуть её, но побоялся ибо эта хрень во первых маленькая, тут еще умудриться надо, а потом еще не факт что к согнутой удастся правильно примонтажить то, что нужно так, чтобы оно крутилось не со смещенным центром.

Короче сейчас уже прикупил двигатели то с нормальными осями, прям выплавленные стальные звездочки уже там. Но вопрос меня мучить не перестал, ибо таких движков на рынке ну просто валом, а тот нормальный я еле достал, а где и как нормально использовать бы можно было те движки я так и не понимаю, только разве что для игрушек?) ну или просто чтоб лишь бы прихватить.

К двигателям с нормальными осями обычно бывают цанги типа ERxx, напримем ER11 на шпиндели с валом 6мм

Есть ещё один вариант — запрессовка шестерней.

Держит намертво, промышленный стандарт

Вот тут можно увидеть пример, показывают два стандарта установки шестерней на вал —

2)посадочное место (щлиц на валу)

Ну вот посадочное место само то, его мне по сути только и оставалось сделать, только надо будет, если начну опять такое делать, не напильником, а молотком квадратик с оси набить и потом уже болтами хвататься.

Но это хорошо, когда еще ось хоть как то нормально торчит, а есть у меня еще одно, даже для меня, исключение (вот там прям с кулак моторчики были) мелочь 2,5-3 см с осью на 1,2 в диаметре убийца до 50 вольт можно подрубать — это жесть! Я на обычные по 20 вольт выставляю и потом руки трясутся после них (ну бывает в руках держишь тестируешь, что будет если зажать шестеренку или еще что или тупо смотришь на его работу, зависнешь или любуешься или и то и то:D). А на того зверя дал 50 вольт, да у меня чуть зубы не повыпадали! 😀

(нет ебом меня не токнуло), но эта хрень в руках тряслась так, что я думал второй адронный коллайдер запустил только что и сейчас он у меня в руке образует черную дыру, и трёх секунд он не дал мне его удержать (да я его даже отключить не успел), выпрыгнул из руки оторвал контакты и с помощью своего гироскопического эффекта весьма точно впился в пол, так еще и остатками момента кручения сделал в нем небольшую дырку.

Сказать, что я офигел, это ничего не сказать. После такого я положил его подальше и решил использовать только в реально экстренных случаях)

Отвечает за изменение частоты видеопамяти (VRAM) при разгоне видеокарты (GPU).

Является опцией, позволяющая регулировать частоту видеопамяти графического адаптера. Значение частоты можно указать вручную (цифрами) или использовать ползунок (данная особенность возможно зависит от модели GPU).

Опция присутствует также и в другом похожем софте, например ASUS GPU Tweak, Gigabute OC Guru.

Core Clock — изменение частоты видеочипа.

MSI Afterburner — фирменная утилита для разгона видеокарт, позволяющая изменять частоту памяти, видеоядра, скорость вращения вентиляторов, лимит потребляемой мощности, напряжение ядра.

Данный параметр, а также другие стоит изменять только при наличии соответствующего опыта — настройки изменяют работу устройства на аппаратном уровне.

Memory Clock можно изменить двумя вариантами:

• Двигая ползунок мышкой.
• Кликнуть по цифре в конце, задав вручную значение.

После изменения — необходимо нажать кнопку Применить (в виде галочки), находится внизу:

При разгоне изменять ползунок Memory Clock нужно плавно, с шагом например 50 МГц. Разгон осуществляется примерно так:

1. Запускаем FurMark (специальный тест видеокарты), указываем настройки > кликам GPU Stress Test.
2. Появится окно с движущимся обьектом.
3. Левый верхний угол будет содержать показатель ФПС (количество кадров в секунду).
4. Оставляем работающую программу на несколько минут.
5. После — заново запускаем тест, постепенно увеличивая значение Memory Clock с шагом 50 МГц каждые 5 минут.
6. Анализируем движение обьекта в окне программы. При появлении помех, артефактов, фризов, когда тест FurMark закрылся — означает достигнут предельный максимум. Тогда — снижаем текущее значение частоты на 50 Мгц, после — дополнительно тестируем 20 минут. При отсутствии лагов/глюков — оставляем данные настройки (сохраняем). При проблемах — повторно снижаем еще на 50 Мгц, далее тестируем. Задача — найти оптимальное значение.

Примерно таким же образом разгоняется видеочип (настройка Core Clock). Значение увеличивать необходимо на 20 Мгц. Тестируем, пока не получим стабильную картину. Однако рекомендовано от стабильных значение еще отнять 50-80 Мгц для страховки.

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.

есмотря 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.

Микрошаги

Как следует из названия, функция микрошага заставляет шаговый двигатель выполнять вращение, которое значительно меньше одного шага. Это может быть 1/4 шага или 1/256 шага или где-то посередине. Микрошаг гарантирует точное позиционирование двигателя и обеспечивает более плавное вращение. В некоторых приложениях микрошаг совершенно не нужен. Однако, если ваша система может извлечь выгоду из чрезвычайно точного позиционирования, более плавного вращения или уменьшения механического шума, вам следует рассмотреть возможность использования микросхемы драйвера с возможностью организации микрошагов.

TMC2202 от Trinamic является примером микрошагового контроллера шагового двигателя.

Размер шага может быть всего лишь 1/32 от полного шага, также здесь есть некоторая функциональность интерполяции, которая обеспечивает «полную плавность 256 микрошагов». Эта микросхема также дает вам представление о том, насколько сложным может быть шаговый драйвер – он имеет интерфейс UART для управления и диагностики, специализированный алгоритм драйвера, который улучшает работу в режиме ожидания и низкоскоростную работу, а также различные другие вещи, о которых вы можете прочитать в 81-страничной документации на TMC2202.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство способное преобразовывать электрический ток в дискретные (состоящие из отдельных частей) угловые перемещения ротора. Благодаря наличию в конструкции шаговых двигателей постоянного магнита, обмотка последнего способна к самовозбуждению, что позволяет использовать шаговый двигатель в качестве основного элемента ветрогенератора, который производит постоянный электрический ток от вращения лопастей под воздействием силы ветра.

Однако основное применение шаговые двигатели получили в машиностроении и в различной оргтехнике. Благодаря высокой точности и простой интеграции с посторонними приложениями цифрового управления, шаговые электродвигатели позволяют легко автоматизировать работу отдельных систем и узлов сложного устройства. Ну а отсутствие таких элементов в конструкции шагового двигателя как щетки, для передачи электроэнергии, сказывается в первую очередь на длительном сроке службы и его довольно продолжительном ресурсе.

Принцип работы шаговых двигателей

Конструкция шаговых двигателей устроена таким образом, что на статоре устройства расположено определенное количество обмоток управления, на которые последовательно подаётся напряжение. Такой подход в работе шаговых электродвигателей позволяет обеспечить дискретное изменение электрического поля внутри шагового электродвигателя и задать нужный угол перемещения оси ротора.

Существуют различные виды шаговых двигателей: однофазные, многофазные и двухфазные, с пассивным либо активным ротором. Для управления шаговым двигателем используется специальный электронный блок управления, который обеспечивает поступление на обмотки электродвигателя определенную последовательность импульсов в зависимости от фазности электродвигателя.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

• высокие скорости пуска, остановки, реверса;
• вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
• четкая фиксация положения после остановки;
• высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
• высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
• поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.

• возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
• вероятность резонанса;
• сложная схема управления;
• невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.