Счетчик оборотов шагового двигателя

Мы рекомендуем Вам промышленные комплектующие приобретать в одном месте – в компании Антриб. Почему?

Во-первых, в нашем каталоге представлены двигатели от надёжных и проверенных на собственном опыте производителей. Их качество могут подтвердить сотни наших клиентов.
Во-вторых, вся представленная продукция есть на складе компании Антриб.
В-третьих, в списке предложений Антриб Вы сможете найти и шаговые двигатели, и комплектующие к ним: специализированные драйверы, многочисленные датчики, соединяющие муфты и многое другое.
В-четвертых, сотрудники Антриб дадут Вам профессиональную консультацию по подбору ШД для ЧПУ и сориентируют в расчетах, которые необходимо произвести. О них читайте далее.

Общие принципы работы шаговых двигателей

Внешний вид шагового двигателя 28-BYJ48 (купить на AliExpress) представлен на следующем рисунке:

Первый вопрос, который напрашивается при взгляде на этот рисунок – почему в отличие от обычного двигателя из этого шагового двигателя выходят 5 проводов различных цветов? Чтобы понять это давайте сначала разберемся с принципами работы шагового двигателя.

Начнем с того, что шаговые двигатели не вращаются, а “шагают”, поэтому они и называются шаговыми двигателями. То есть в один момент времени они будут передвигаться только на один шаг. Чтобы добиться этого в устройстве шаговых двигателей присутствует несколько катушек и на эти катушки нужно подавать питание в определенной последовательности чтобы двигатель вращался (шагал). При подаче питания на каждую катушку двигатель делает один шаг, при последовательной подаче питания на катушки двигатель будет совершать непрерывные шаги, то есть вращаться. Давайте более подробно рассмотрим катушки, присутствующие внутри шагового двигателя.

Как можно видеть из рисунка, двигатель имеет однополярную катушку с 5 выводами. Но фактически это 4 катушки, на которые нужно подавать питание в определенной последовательности. На красные провода необходимо подать +5V, на остальные 4 провода необходимо подать землю чтобы запустить в работу соответствующую катушку. Мы будем использовать плату Arduino чтобы подавать питание на эти катушки в определенной последовательности и тем самым заставлять двигатель вращаться. Более подробно ознакомиться с принципами работы шаговых двигателей можно в статье про подключение шагового двигателя к микроконтроллеру AVR.

Так почему же этот двигатель называется 28-BYJ48? Честно говоря, мы не знаем точного ответа на этот вопрос. Некоторые наиболее важные технические характеристики этого шагового двигателя приведены на следующем рисунке.

На первый взгляд от такого количества характеристик может закружиться голова, но давайте попробуем выделить из них самые важные, те, которые нам понадобятся для дальнейшей работы. Во-первых, мы знаем, что это шаговый двигатель 5V, поэтому необходимо подавать на красный провод 5V. Также мы знаем что это четырехфазный шаговый двигатель поскольку в нем четыре катушки. Передаточное число этого двигателя — 1: 64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, сделает одно полное вращение в том случае, когда двигатель внутри сделает 64 оборота. Это происходит благодаря шестерням, которые включены между двигателем и выходным валом. Эти шестерни помогают в увеличении крутящего момента.

Еще одним важным показателем, который нам следует знать, является угол шага: 5.625°/64. Это значит что когда двигатель сделает последовательность в 8 шагов он будет поворачиваться на 5.625° при каждом шаге и за один полный оборот он сделает 64 шага (5.625*64=360).

Расчет шагов на оборот для шагового двигателя

Важно знать, как рассчитать количество шагов за один оборот для вашего шагового двигателя, потому что только тогда вы можете эффективно его запрограммировать.

В Arduino для управления двигателем мы будем использовать 4-шаговую последовательность, поэтому угол шага будет составлять 11.25°. Поскольку изначально он равен 5.625°(приведен в даташите), то для 8 шаговой последовательности получим 11.25° (5.625*2=11.25).

Читайте так же:

При установке строк счетчиков производительности для службы wmiaprpl

Справедлива следующая формула:

Количество шагов за оборот = 360 / угол шага.

В нашем случае 360/11.25 = 32 шага за оборот.

Зачем нужен драйвер мотора для управления шаговым двигателем

Большинство шаговых двигателей будут работать только с помощью модуля драйвера мотора. Это связано с тем, что микроконтроллер (в нашем случае плата Arduino) не может обеспечить достаточный ток на своих контактах ввода/вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний драйвер мотора для управления нашим шаговым двигателем — модуль ULN2003 (купить на AliExpress). В сети интернет можно найти рейтинги эффективности различных драйверов мотора, но эти рейтинги будут меняться в зависимости от типа используемого шагового двигателя. Основной принцип, которого следует придерживаться при выборе драйвера мотора – он должен обеспечивать достаточный ток для управления шаговым двигателем.

Выбирая шаговый двигатель для ЧПУ, нужно определиться, как будет использоваться станок, и какие характеристики для этого нужны. В этой статье рассмотрим, какие модели наиболее популярны, на что нужно обращать внимание при покупке, и как правильно произвести расчет.

Основные критерии выбора шагового двигателя для ЧПУ

При выборе шагового двигателя для ЧПУ необходимо учитывать следующие параметры:

Зависимость крутящего момента от скорости. Оценка графика позволит выбрать оптимальную модель двигателя для реализации конкретных задач;
Индуктивность. Для расчета нужно выделить квадратный корень из индуктивности обмотки. Полученное значение умножается на 32. Результат не должен сильно отличаться от напряжения источника питания для драйвера. Если показатель напряжения питания выше результата расчета более чем на 30%, то мотор будет перегреваться и шуметь в процессе работы. При слишком низком показателе напряжения относительно результата расчета крутящий момент будет убывать с большой скоростью. Чтобы обеспечить больший крутящий момент, нужна высокая индуктивность, но в таком случае не обойтись без драйвера с высоким напряжением питания;
Геометрические данные. Большое значение имеет диаметр вала, фланец и длина двигателя.

При выборе двигателя ЧПУ обязательно следует обратить внимание на момент инерции ротора, номинальное значение тока в фазе, омическое сопротивление фаз, максимальный показатель статистического синхронизирующего момента.

Типы двигателей

Перед покупкой необходимо определиться с подходящей модификацией. Одними из самых распространенных являются следующие типы устройств:

Биполярные. Считаются наиболее популярными моделями для ЧПУ. Отличаются высоким удельным сопротивлением на небольших оборотах. К тому же при поломке старого драйвера можно без проблем подобрать новый;
Униполярные. Разновидность биполярных шаговых двигателей. В зависимости от исполнения подключение обмоток может быть разным;
Трехфазные. Основное преимущества – большая скорость по сравнению с биполярными аналогами. Использование трехфазных двигателей оптимально в случаях, когда нужна высокая скорость вращения.

При выборе двигателя не лишним будет изучить характеристики готовых станков, близких по характеристикам к разрабатываемому оборудованию.

Расчет шаговых двигателей для ЧПУ

Для расчета необходимо определить действующую в системе силу трения направляющих. Для наглядности установим значение коэффициента (0,2), вес стола (100 кгс), вес детали (300 кгс), силу резания (3000 Н) и требуемое ускорение (2 м/с 2 ).

Расчет при таких исходных данных будет выглядеть следующим образом:

Для определения силы трения умножаем коэффициент силы трения на вес движущейся системы: 0,2 х 9,81 (100 кгс + 300 кгс) = 785 Н.
Чтобы узнать силу инерции, вес стола с деталью умножаем на требуемое ускорение: 400 х 2 = 800 Н.
Полная сила сопротивления определяется путем складывания силы трения, резания и инерции: 785 + 3000 + 800 = 4585 Н.

При этом сила сопротивления развивается за счет привода стола на гайке винтовой шариковой передачи.

Мощность шагового двигателя рассчитывается по формуле F = ma , где:

Читайте так же:

Резистор для обогрева счетчика

F (Н) – сила, которая нужна, чтобы привести тело в движение;

m (кг) – масса тела;

a (м/с 2 ) – требуемое ускорение.

Чтобы рассчитать механическую мощность, нужно силу сопротивления движения умножить на скорость.

Приведенные формулы справедливы только для расчетов без учета инерции вращающих механизмов, в том числе – и без инерции вала шагового двигателя. Чтобы получить более точные результаты, требования по ускорению необходимо увеличить или уменьшить на 10%.

Расчет редукции оборотов производится на основании номинальных оборотов механического привода и максимального значения скорости передвижения стола. Если скорость равна 1000 мм/мин, а шаг винта шариковой винтовой передачи – 10 мм, то скорость вращения винта ШВП определяется, как (1000/10) 100 оборотов/мин.

Чтобы определить коэффициент редукции, учитываем номинальные обороты сервопривода. Если это значение равно 5000 оборотов/мин, то редукция определяется, как (5000/100) 50.

Классификация шаговых двигателей для ЧПУ

Условно все двигатели для ЧПУ можно поделить на три большие категории:

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МОДЕЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ

В станках нередко используются советские индукторные двигатели – модели ДШИ-200-2 и ДШИ-200-3. Такие устройства отличаются следующими характеристиками:

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Подключение будет рассмотрено на примере униполярного двигателя 28BYj-48 и драйверов L298 и ULN2003. В качестве платы будет использоваться Arduino Uno.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Еще один вариант схемы с использованием L298:

Подключение шагового двигателя к Ардуино на базе L298

Схема подключения на базе ULN2003 изображена на рисунке ниже. Управляющие выходы с драйвера IN1-IN4 подключаются к любым цифровым контактам на Ардуино. В данном случае используются цифровые контакты 8-11. Питание подключается к 5В. Также для двигателя желательно использовать отдельный источник питания, чтобы не перегрелась плата Ардуино.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Принципиальная схема подключения.

Принципиальная схема подключения шагового двигателя

Еще одна схема подключения биполярного шагового двигателя Nema17 через драйвер L298 выглядит следующим образом.

Принцип работы автомобильного счётчика

Тахометр используется для проверки производительности двигателя и помогает автомеханику понять его состояние для оптимизации функционирования с допустимыми параметрами. Принцип работы автомобильного электронного тахометра прост. Система зажигания запускает импульс напряжения электромеханической части тахометра, которая реагирует на среднее напряжение импульсов пропорционально частоте вращения двигателя. Сигнал передаётся двойным экранированным кабелем к индикатору. Тахометры имеют температурную компенсацию для обработки измерений в диапазоне -20 до + 70 C окружающей среды.

Он позволяет водителю выбирать подходящие настройки дроссельной заслонки и шестерни во время движения, поскольку длительное использование на высоких скоростях вызывает недостаточную смазку, влияющую на двигатель, создаёт перегрев и приводит к ненужному износу трущихся деталей и к отказу машины.

Простейшая схема регулятора

Ориентируйтесь на эту схему. Чтобы уменьшить обороты электродвигателя, необходим ШИМ модулятор, он же симистор. Это микросхема, которая модулирует ШИМ-сигнал, позволяющий задать собственное частоту.

В этой схеме роль модулятора играет микросхема U2008B. Это недорогая плата предназначена специально для регулировки оборотов асинхронного двигателя.

Как пишет Сайт компании электрические системы, также понадобится диод и резистор, чтобы снизить напряжение. На схеме они изображены со знаками D1 и R1. Также, чтобы отфильтровать поступающее электричество, необходим силовой конденсатор, обозначенный С1.

Р1, R5 и R3 – это делители напряжения, предназначенные для регулирования напряжения. Второй резистор необходим, чтобы синхронизировать внутренние блоки двигателя с симистором.

Чтобы частотный регулятор был безопасным, рекомендуется установить обычный плавкий предохранитель на 1,5 ампера.

Если вы хотите сделать профессиональную плату, возьмите эту схему для печати:

Останется только перенести ее на фольгированный текстолит и вытравить. Посмотреть инструкцию можно здесь. Цена вопроса такого регулятора – 200 рублей.

Читайте так же:

Программа для перепрошивки счетчика

Серводвигатели против шаговых двигателей

Шаговый электродвигатель — это 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.

Шаговые двигатели можно отнести к группе бесколлекторных двигателей постоянного тока. Шаговые двигатели, имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. При увеличении скорости двигателя, уменьшается вращающийся момент.
Шаговые двигатели делают больше вибрации, чем другие типы двигателей, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию хватать ротор от одного положения к другому. За счет этого шаговый двигатель во время работы очень шумный. Вибрация может быть очень сильная, что может привести двигатель к потери момента. Это связано с тем, что вал находится в магнитном поле и ведет себя как пружина. Шаговые двигатели работают без обратной связи, то есть не используют Энкодеры или резольверы для определения положения.
Типы:
Существует четыре главных типа шаговых двигателей:

Шаговые двигателя с постоянным магнитом
Гибридный шаговые двигателя
Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Преимущества Шагового двигателя:

Устойчив в работе
Работает в широком диапазоне фрикционных и инерционных нагрузок и скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
Нет необходимости в обратной связи
Намного дешевле других типов двигателей
Подшипники — единственный механизм износа, за счет этого долгий срок эксплуатации.
Превосходный крутящий момент при низких скоростях или нулевых скоростях
Может работать с большой нагрузкой без использования редукторов
Двигатель не может быть поврежден механической перегрузкой
Возможность быстрого старта, остановки, реверсирования

Главным преимуществом шаговых приводов является точность. При подаче потенциалов на обмотки, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, можно приравнять к недорогой альтернативе сервоприводу, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Недостатки шагового двигателя:

Постоянное потребление энергии, даже при уменьшении нагрузки и без нагрузки
У шагового двигателя существует резонанс
Из-за того что нет обратной связи, можно потерять положение движения.
Падение крутящего момента на высокой скорости
Низкая ремонтопригодность

Применение.
Шаговые двигателя имеет большую область применения в машиностроении, станках ЧПУ, компьютерной технике, банковских аппаратах, промышленном оборудовании, производственных линиях, медицинском оборудовании и т.д.

Что такое серво двигатель и принцип его работы:

Серводвигателя делятся на категории щеточные (коллекторные) и без щеточные (без коллекторные) . Щеточные (коллекторные) серводвигатели могут быть постоянного тока, без коллекторные серводвигатели могут быть постоянного и переменного тока. Серводвигатели с щетками (коллекторные), имеют один недостаток каждые 5000 часов необходима замена щеток. На серводвигателях всегда есть обратная связь, это может быть энкодер или резольвером. Обратная связь необходима, чтобы достичь необходимой скорости, либо получить нужный угол поворота. В случаях высоких нагрузок и если скорость окажется ниже требуемой величины, ток пойдет на увеличение , пока скорость не достигнет нужной величины, если сигнал скорости покажет, что скорость больше, чем нужно, ток, пойдет на уменьшение. При использовании обратной связи по положению, сигнал о положении можно использовать чтобы остановить двигатель, после того, как ротор двигателя приблизится к нужному угловому положению.
АС серводвигатель — двигатель переменного тока. В ценообразовании двигатель переменного тока дешевле двигателя постоянного тока. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели и коллекторные.
В синхронных двигателях переменного тока ротор и магнитное поле вращается синхронно с одинаковой скоростью и в одном направлении с статором, а в асинхронных двигателях переменного тока ротор вращается несинхронно по отношению с магнитным полем. В асинхронном двигателе из-за отсутствия коллектора (щетки) регулировка оборотов происходит за счет изменения частоты и напряжения.

Читайте так же:

Накрутка счетчика сервера kms

DC серводвигатель — двигатель постоянного тока.
Серводвигатели постоянного тока из за своих динамических качеств могут быть использованы приводом непрерывного действия. Серводвигатели постоянного тока могут постоянно работать в режимах старт, остановка и работать в обоих направлениях вращения. Обороты и развиваемый крутящий момент можно изменять путем изменения величины напряжения тока питания или импульсами.

Преимущества серводвигателей:

При малых размерах двигателя можно получить высокую мощность
Большой диапазон мощностей
Отслеживается положение, за счет использования обратной связи
Высокий крутящий момент по отношении к инерции
Возможность быстрого разгона и торможения
При высокой скорости, высокий крутящий момент
Допустимый предел шума при высоких скоростях
Полное отсутствия резонанса и вибрации
Точность позиционирования
Широкий диапазон регулирования скорости.
Точность поддержания скорости и стабильность вращающего момента.
Высокий статический момент Мо при нулевой скорости вращения.
Высокая перегрузочная способность: Mmax до 3.5Mo, Imax до 4Io
Малое время разгона и торможения, высокое ускорение (обычно > 5 м/с 2 ).
Малый момент инерции двигателя, низкий вес, компактные размеры.

Пример работы двигателя:
На данном примере я перескажу вам принцип работы серводвигателя. После того, как вы сгенерировали управляющую программу, она создается в системе G-кодов, то есть ваша линия, окружность или любой созданный вами объект конвертируется в перемещение по координатам X,Y, Z на определённое расстояние. За расстояние отвечают импульсы, которые подаются через блок управления на двигатель. При перемещении любой из осей, например на 100 мм, драйвер (блок управления) подает определённое напряжение на двигатель, вал двигателя (ротор). Вал двигателя соединен с ходовым винтом (ШВП), вращение оборотов двигателя отслеживается энкодер. При вращении ходового винта по любой из осей, потому что при использовании серво, энкодеры (обратная связь) устанавливаются на тех осях, где вы хотите определить положение, на энкодер подаются импульсы, которые считываются системой управления ЧПУ. Системы ЧПУ программируются так, что ни понимают что, например, для перемещения на 100 мм необходимо получить определенное количество импульсов. Пока система ЧПУ не получит нужное количество импульсов на вход драйвера (блока управления) будет подаваться напряжение задания (рассогласование). Когда портал станка проедет заданные 100 мм, система ЧПУ получит нужное количество импульсов и напряжение на входе драйвера упадет до 0 и двигатель остановится. Прошу вас заметить, что преимущество обратной связи в том, что если по какое то либо причине произойдет смещение портала станка, энкодер отправит на систему управления нужное количество импульсов, для подачи нужного напряжения на согласования драйвера (блока управления), и двигатель поменяет угол. Для того что разногласие было равно 0, это помогает удерживать станок в заданной точке с высокой точностью. Не все типы двигателей способны, обеспечивать динамику разгона, нужный крутящий момент и т. п.

Сравнительная характеристика по основным параметрам

Срок эксплуатации и обслуживание

Шаговые двигатели – нет щеток, это увеличивает срок эксплуатации до многих лет, единственным слабым местом являются подшипники, могут работать в большом диапазоне высоких температур. Срок эксплуатации в разы дольше любого типа двигателя.

Из всех видов серво двигателей, самые дешевые это двигателя коллекторного типа (со щетками), они менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы.
Другой тип бесколлекторных сервоприводов производятся по надежности как и шаговые двигателя, отсутствие щеток увеличивает срок эксплуатации, но не уменьшает стоимость ремонта. В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

Читайте так же:

Все время звонят по счетчикам

Очень тяжело повредить и износить подшипник. Как и в любом двигателе возможно повреждение обмотки двигателя. Из низкой цены проще купить новый шаговый двигатель.

В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

При использование точных механизмов, может быть не ниже +/- 0.01 мм

сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1-2мкм и выше (1 мкм = 0.001 мм)

В лазерно гравировальных станках скорость 20 – 25 метров в минуту. Если мы говорим о фрезерных станках ЧПУ с тяжелыми порталами и балками. Максимальная скорость перемещения до 9 м/мин.

С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин при использование высокосортной механике.

до 120 об/мин за секунду

до 1000 об/мин за 0,2 секунды

Потеря шагов при повышении скорости и нагрузки

При высоких скоростях и высоких нагрузках происходит потеря шагов. Эта не проблема возможна при воздействии внешних факторов: ударов, вибраций, резонансов и т.п.

У серво двигателей присутствует обратная связь, что полностью исключает потерю шагов.

Принудительная остановка (столкновение с препятствием)

Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений

В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть!

По цене шаговый двигатель намного дешевле своего товарища серво двигателя.

Минимум в 1,5 раз дороже шагового двигателя.

Каждый тип двигателя предназначен для своей задачи. В некоторых случаях нужно использовать шаговых двигатель, а для некоторых задач необходимо использовать только серво двигатель. В фрезерных станках ЧПУ широко используются оба типа двигателей, просто у каждого из них есть свои задачи, и иногда не целесообразно переплачивать за серво, при небольших объемах производства.

Подведем черту сравнения серводвигателей и шаговых двигателей:

Если же вас не устраивают скоростные характеристики, Вам необходимо рассмотреть фрезерные деревообрабатывающие станки с ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015(авт.) и высокоскоростной фрезерный деревообрабатывающий станок «АртМастер 3015 Racer».

Вы всегда должны для себя понимать, что сервомоторы позволяют вам с экономить время на холостых переходах, при этом вы не должны забывать правильно оптимизировать количество проходов. Скорость фрезеровки всегда зависит от мощности режущего инструмента (электрошпинделя) и типа фрезы. Мы не сможете получить хорошую скорость фрезеровки при низком качестве инструмента. Вы получите либо брак в изделии, либо Вам потребуется постоянная замена режущего инструмента. То есть при использовании высоких скоростей, при обработке материала вы не должны забывать о качестве и типе инструмента для фрезеровки. Дорогой инструмент не только быстрее режет, но и служит дольше. И прошу не забывать другое преимущество серво: высокая скорость и производительность в разы выше, чем у шагового при фрезеровке объёмных изображений (фото), резьбы (фото). При наличии смены инструмента, вакуумного стола вы можете оптимизировать ваше производство и минимизировать отходы.

Если вы хотите добиться увеличения объёмов выполненной работы на вашем производстве, решение только одно — сервомоторы, а для старта или изготовления фасадов, дверей, столешниц, и прямолинейного, криволинейного раскроя при объёмах производства от 500-1000 кв.м, вы можете остановить свой выбор на станках с шаговыми двигателями.