Шаговый двигатель

Материал из Энциклопедия ТриДэшники
Перейти к: навигация, поиск

Описание

Wantai609.jpg
Stepper motor 0.jpg
Stepper motor 1.jpg

В 3D принтерах используются шаговые двигатели типоразмера NEMA 17, то есть посадочные отверстия унифицированы и габаритно отличаются только по длине. Шаговые двигатели вращаются дискретно. Обычный двигатель делает 200 шагов на оборот. Для более плавного вращения драйвер шагового двигателя делит полный шаг на микрошаги. Обычно используется драйвер A4988 с дроблением шага на 16 микрошагов, а это уже 3200 микрошагов на один оборот. Подобные двигатели используются в обычных чернильных принтерах, только меньшей мощности. Нам нужны биполярные двигатели, имеющие четыре провода.

У обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого двигателем.


Микрошаг

Если запитать одновременно две обмотки двигателя, то момент будет равен сумме моментов, обеспечиваемых обмотками по отдельности. При этом, если токи в обмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора. Этот факт положен в основу реализации полушагового режима.

Ротор вращается в след за магнитным полем статора, стремясь занять положение равновесия. Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование.

В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер.


Возможные артефакты от шагового двигателя

Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля и т.д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов.

Если измерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовой стрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан в первую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вклад вносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. Погрешность, создаваемая гистерезисом может быть равна нескольким микрошагам. Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужно проходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход к нужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении.

Размеры

Nema17 39mm.jpg


Самые распространённые модели

Модель Угол шага, град Длина, мм Ток, А Сопротивление обмотки, Ом Момент удержания, Н*m Вес, г
17HS4401 1,8 40 1,7 1,5 0,4 280
17HS4402 1,8 40 1,3 2,5 0,4 280
17HS8401 1,8 48 1,8 1,8 0,52 400
42BYGHW609 1,8 40 1,7 1,5 0,4 240
42BYGHW811 1,8 48 2,5 1,25 0.48 340
42BYGHM809 0,9 48 1,68 1,6 0.42 340
GZGW09 1,8 34 0,84 5,75 0,48 220
MKS 4248-450 1,8 48 1 3 0,45 380
MKS 4240-400 1,8 40 1 3 0,40 295
MKS 4234-290 1,8 34 1 3,1 0,29 240

Подключение

Провода желательно свить в косички от наводок.

Обмотки определяются очень просто - при закорачивании (соединении выводов обмотки) ротор двигателя прокручивается с большим усилием. Также это можно определить мультиметром.

Wiring.png


Шлейф для подключения двигателей MKS

MKS wire stepper motor.png


Уменьшение вибраций

Возможно использование амортизаторов (демпферов) на двигатели для уменьшения вибраций. Выглядят они обычно так

Left
АмортNEMA17 side.jpg

Так же можно встретить двигатели с уже установленным амортизатором. В некоторых случаях это не оправдано.


Источники информации и полезные ссылки

  1. 3D printing guides - How steppers work and how to adjust their drivers
  2. 17HSxxxx Datasheet
  3. Базовые знания о шаговых двигателях
  4. StepperSim
  5. Видео "Переделка унипрлярного двигателя в биполярный"
  6. Диаграммы, диаграммы...