Шаговый двигатель на кольцевом постоянном магните
(8 полюсов, 6 фаз, угол шага 15 градусов) с системой управления

Характеристики:

• параллельное соединение обмоток: напряжение питания 12 В, потребляемый ток не более 700 мА
• последовательное соединение обмоток: напряжение питания 24 В, потребляемый ток не более 350 мА
• время работы не ограничено, в том числе с заторможенным валом
• форсированный режим: кратковременное (до 1 минуты) увеличение напряжения питания в 1.5 раза
• угол шага 15 градусов
• максимальная пусковая частота вращения 150 об./мин
• максимальная частота вращения 240 об./мин
• габариты не более: 80 х 80 х 65 (с осью) мм³
• масса не более 0.85 кг

Конструкция двигателя

Сборочный чертеж шагового двигателя (ШД) показан на рис. 1, а внешний вид - на рис. 2.

Рис. 1. Сборочный чертеж ШД.

Рис. 2. Шаговый двигатель (вид сбоку).

Статор двигателя состоит из основания и крышки, стянутых шпильками. По центру основания и крышки просверлены отверстия, в которые вставляется вал ротора. Постоянный кольцевой магнит крепится на валу с помощью втулки. На основании расположены шесть катушек со стальными сердечниками. Двигатель может работать в шести- или трехфазном режиме (при последовательном соединении противоположных катушек). Постоянный магнит намагничен в 8-полюсном намагничивающем устройстве [5]. Расчет катушек выполнен с помощью программы Coil [1].

Система управления

Для опробования ШД и измерения его характеристик была использована система управления (СУ) на PIC-контроллере [6]. Электрическая принципиальная схема СУ показана на рис. 3, а внешний вид печатной платы - на рис. 4. На рис. 5 приведен пример простой программы для опробования двигателя в режиме полушага (7.5 градусов).

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная СУ ШД на PIC-контроллере.

СУ собрана на PIC-контроллере PIC16F84A-04/P (DD1). Рабочая частота определяется цепью R6C5 и составляет около 4 МГц. На выходах RB0 - RB5 формируется трехфазная последовательность импульсов, управляющая инверторами VT3 - VT6, VT9 - VT12, VT15 - VT18, к выходам которых (в диагональ инвертора) подключены обмотки ШД (соединение обмоток в группе последовательное или параллельное). На входы RA0 - RA3 подаются сигналы, определяющие направление и скорость вращения. Логика и режим работы двигателя зависят от программы, записанной в контроллер [4]. Цепочка R7VD1 обеспечивает напряжение питания контроллера (DD1) +4.7 В, защиту от неправильного подключения источника питания, а также позволяет использовать форсированный режим работы двигателя (кратковременное повышение напряжения питания) и входные сигналы с TTL-уровнями.

Рис. 4. Внешний вид печатной платы СУ ШД (размер платы 125 х 70 мм²).

Рис. 5. Листинг простой пробной программы для проверки двигателя. Скорость вращения задается величиной Del_Val2. При программировании контроллера [4] необходимо отключить сторожевой таймер.

Измерение скорости вращения осуществлялось следующим образом: датчик тесламетра [2] подносился как можно ближе к постоянному магниту шагового двигателя, выход тесламетра подключался к осциллографу, период сигнала соответствовал повороту магнита (и ротора) на 90⁰.

Шаговый двигатель имеет простую конструкцию и может использоваться в приложениях, не требующих большой скорости вращения и слишком малых углов шага. Момент на валу двигателя достаточно большой. Дополнительным свойством двигателя является фиксация ротора в отключенном состоянии за счет притяжения магнита к сердечникам катушек.

Ссылки:

1. Coil: Программа для расчета параметров и магнитного поля цилиндрического соленоида
2. Аналоговый импульсный тесламетр с датчиком Холла типа ПХЭ для измерения индукции магнитного поля
3. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.: ил.
4. Программирование PIC-контроллеров фирмы Microchip
5. Устройство для 8-полюсного аксиального импульсного намагничивания ферритовых колец диаметром до 70 мм
6. Электронная система управления шаговыми двигателями на PIC-контроллере

Словарь терминов:

• Двигатель (мотор) - преобразователь энергии источника в механическую энергию движения.
• Максимальная выходная частота вращения шагового двигателя - максимальная шаговая частота вращения, при которой ненагруженный шаговый двигатель может двигаться без пропуска шагов.
• Максимальная частота приемистости шагового двигателя - максимальная управляющая частота, при которой ненагруженный шаговый двигатель может запускаться и останавливаться без пропуска шагов.
• Многополюсный магнит - постоянный магнит, имеющий более одной пары магнитных полюсов.
• Полушаговый режим работы шагового двигателя - комбинация однофазного и двухфазного режима управления обмотками шагового двигателя, когда сначала при наличии тока в исходной обмотке включается соседняя по фазе обмотка, а затем через заданное время отключается ток в исходной обмотке.
• Пошаговый режим работы шагового двигателя - однофазный или двухфазный режим управления обмотками шагового двигателя, когда обмотки включаются через заданное время последовательно поодиночке или по две сразу.
• Трехфазная последовательность импульсов - три идентичных периодических последовательности импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 120 градусов по фазе.
• Трехфазный шаговый двигатель - шаговый двигатель, имеющий три группы обмоток (фаз).
• Угол шага шагового двигателя - угол, на который поворачивается вал шагового двигателя при выполнении одной операции полного переключения тока между двумя соседними по фазе обмотками.
• Частота вращения - количество оборотов в единицу времени.
• Шаговый двигатель - электрический двигатель, полезное механическое перемещение которого совершается скачкообразно из одного промежуточного положения в другое.

05.12.2005
01.11.2009

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница