Что можно сделать с шаговыми двигателями. Маломощный ветрогенератор из шагового двигателя: самодельное устройство из принтера

Для работы любого электрического прибора, необходим специальный приводной механизм. Шаговый двигатель, является одним из таких устройств. Сегодня есть большой выбор разнообразных электродвигателей , разделяющихся по типу и по схеме драйвера, которым управляет контроллер.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - это синхронное электромеханическое устройство , которое передает сигнал управления в механическое движения ротора. Вращение происходит шагами, которые фиксируются в определенном положении.

Принцип работы шагового двигателя

При прикладывании напряжения к клеммам, щетки электродвигателя запускаются и начинают беспрерывно вращаться. Движок холостого хода обладает особым свойством, это превращение входящих импульсов прямоугольной направленности в заранее установленное положение приложенного ведущего вала.

Вал сдвигается под фиксированным углом с каждым импульсом. Если вокруг центрального куска железа зубчатой формы расположены несколько зубчатых электромагнитов, то устройства с таким редуктором достаточно эффективны. Микроконтроллер возбуждает электромагниты. Один зубчатый электромагнит под воздействием энергии притягивает зубья зубчатого колеса к своей поверхности, таким образом, вал двигателя делает поворот. Когда зубья выровнены по отношению к электромагниту, они немного смещаются к соседней магнитной детали.

Чтобы шестеренка начала вращение и выровнялась с предыдущим колесом, первый электромагнит отключается, а следующий включается. Затем весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо. Такое вращение называют постоянным шагом. Подсчитав количество шагов при полном обороте двигателя, определяется скорость его вращения.

Модели шаговых двигателей

Шаговые двигатели по конструкции ротора делятся на три типа: реактивный, с постоянными магнитами и гибридный.

1. В настоящее время синхронные реактивные двигатели применяются редко. Их используют, когда нужен небольшой момент и слишком большой угол поворота шага. Ротор изготовлен из магнитомягкого материала с отчетливыми полюсами, имеет большой угол шага, при отсутствии тока нет фиксирующего момента. Это самый простой и дешевый двигатель. Статор состоит из шести полюсов и трех фаз, а ротор имеет четыре полюса. При этом шаг устройства составляет 30 градусов. Вращающееся магнитное поле создается последовательным включением фаз статора. Ротор за один шаг поворачивается на угол меньше угла статора, так происходит из-за меньшего количества полюсов.
2. Двигатель с постоянными магнитами состоит из ротора на постоянных магнитах и статора с двумя фазами. В отличие от реактивных устройств, у двигателей на постоянных магнитах после снятия управляющего сигнала ротор фиксируется. Так, происходит благодаря большим вращающим моментам. Так как процесс изготовления ротора сопровождается большими технологическими трудностями (большое число полюсов+постоянные магниты), получается большой угловой шаг до 90 градусов. Это является их единственным недостатком. При работе с однополярной схемой управления обмотки в центре могут быть с ответвлением. Обмотки без центрального ответвления питаются через двуполярную схему управления. Исходя из этого устройство шагового двигателя разделяется на два типа по виду обмоток, униполярные и биполярные.

Униполярный . Изменять расположение магнитных полюсов можно, не меняя при этом направленность тока. Достаточно включить отдельно каждую фазу обмотки. Устройство состоит из одной обмотки на фазу с расположенным в центре ответвлением.

Биполярный . У таких двигателей на фазу приходится одна обмотка, нет общего вывода, а есть два - на фазу. Благодаря этому биполярные устройства обладают наибольшей мощностью, чем униполярные. Для изменения магнитных полярностей полюсов, в обмотке изменяют направления тока.

Гибридный двигатель

Чтобы уменьшить угол шага, был разработан гибридный шаговый двигатель . В свою конструкцию, он включает лучшие свойства двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя. Ротор представлен в виде намагниченного вдоль продольной оси цилиндрического магнита. Статор состоит из двух или четырех фаз, которые размещены между парами явно выраженных полюсов.

Как запустить шаговый двигатель, его управление

Работа по подключению и управлению шагового двигателя будет зависеть от того, каким образом вы хотите запустить устройство и сколько проводов находится на приводе. Шаговые электродвигатели могут иметь от 4 до 8 проводов, поэтому для их подключения используют определенную схему.

• С четырьмя проводами. Каждая фазная обмотка имеет по два провода. Чтобы подсоединить драйвер пошагово, нужно найти парные провода с непрерывной связью между ними. Такой двигатель используется только с биполярным прибором.
• С пятью проводами. Центральные клеммы мотора внутри объединяются в сплошной кабель и выведены к одному проводу. Отделить обмотки друг от друга невозможно, так как появится много разрывов. Выйти из положения можно, если установить где находится центр провода и попытаться соединить его с другими проводниками. Это самый эффективный и безопасный режим. Затем устройство подключается и проверяется на работоспособность.
• С шестью проводами. Каждая обмотка имеет несколько проводов и центр-кран. Для разделения провода применяют измерительный прибор. Мотор можно подключать к однополярному и биполярному устройству. При подключении к однополярному устройству используются все провода. Для биполярного устройства один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Для управления шаговым двигателем требуется контроллер. Контроллер, это схема, подающая напряжение к одной из катушек статора. Контроллер изготовлен на базе интегральной микросхемы типа ULN 2003 включающей в себя комплект составных ключей. Каждый ключ имеет на выходе защитные диоды, которые, позволяют подключать индукционные нагрузки, не требуя дополнительной защиты.

Как работает шаговый двигатель?

Устройство может работать в трех режимах:

• Микрошаговый режим. Устройства, работающие на микрошагововом режиме, являются новейшими разработками некоторых производителей и используются в основном в микроэлектронике или на промышленных конвейерах. Специальный чип создает такое напряжение, что вал становится в положение одной сотой шага, к примеру, на 1 оборот происходит 20 тыс. перемещений. Драйвер может создавать более 50 тысяч циклов управляющих напряжений на 1 оборот.
• Половинный режим. Благодаря тому, что в режиме половинного шага уровень вибраций сокращается, такие устройства часто используются в промышленности. После того как одна фаза активируется, она замирает в таком положении до тех пор, пока не включится следующая. Получается промежуточное положение и на зуб воздействуют одновременно два полюса. Когда первая фаза отключается, ротор продвигается вперед на полшага.
• Полный режим. Управляющее напряжение по очереди передается по всем фазам и получается полный шаг (на 1 оборот 200 перемещений).

Техническая характеристика шагового двигателя

В области электротехники и механики шаговый электродвигатель считается сложным устройством, которое включает в себя множество механических и электрических возможностей. На практике применяются следующие технические характеристики:

1. Номинальный ток и напряжение. Максимально допустимый ток указан в механических параметрах электродвигателя. Номинальный ток, является главным электрическим параметром, при котором двигатель может работать сколько угодно времени. Номинальное напряжение указывают редко, его вычисляют по закону Ома. Оно показывает постоянное максимальное напряжение на обмотке двигателя, когда он находится в статическом режиме.
2. Сопротивление фазы. Параметр показывает какое максимальное напряжение можно подавать на обмотку фазы.
3. Индуктивность фазы . Насколько быстро будет увеличиваться ток в обмотке показывает этот параметр. Чтобы ток быстрее увеличивался при переключении фаз на высоких частотах, напряжение приходится делать больше.
4. Число полных шагов за 1 оборот. Параметр показывает насколько электродвигатель точен, его плавность и допустимую способность.
5. Вращающий момент. Механические данные показывают частоту вращения, которая зависит от момента вращения. Параметр указывает максимальное время вращения электродвигателя.
6. Удерживающая фаза. Эта фаза показывает момент вращения при остановленном устройстве. Две фазы устройства должны быть запитаны номинальным током.
7. Момент ступора. Во время отсутствия напряжения питания, он необходим для того, чтобы вал электродвигателя можно было провернуть.
8. Время энерции ротора. Означает как быстро разгоняется двигатель. Чем показатель меньше, тем скорость разгона больше.
9. Пробивное напряжение. Параметр относится к разделу электробезопасности и показывает наименьшее напряжение, пробивающее изоляцию между корпусом и обмотками устройства.

Вы, хоть понимаете, что пишете? Или пишете для того, чтобы человека поддержать в его начинаниях и он, потратив деньги на комплектующие для своей системы, в конечном итоге получил абсолютно неработоспособную вещь? Вы отвечаете: "Двигатель, как генер подойдет" - да, подойдет, но откуда вы взяли 1,1-1,5А? Это при каком напряжении? При какой скорости вращения ротора? Далее пишете: "Стандарт мощности 1м ленты, вроде, 5Вт..." - стандарта мощности тут нет, а ленты бывают и около 5Вт и около 14Вт, и около 7Вт на метр и др., а это очень большой разброс. Продолжаем: "Так как вы столько накрутили то вполне может хватить для заряда аккумулятора" - это, вообще, что означает? То, что чем сложнее, навороченнее и запутаннее схема, тем больше ее отдача и эффективность? Полная ерунда. Для зарядки 12В мотоаккума нужно около 14-15В при токе примерно 0,6-0,7А (для емкости примерно 7А/ч). Вы уверены, что система способна долговременно выдавать такие параметры? Ведь, чтобы зарядить разряженный аккум мотоцикла, 2-3-х часов не хватит. Считаете, также, что заряжать можно и от 18В? Да, можно, но электролит выкипит через неделю, если не раньше, и пластины посыпятся. Хороша рекомендация! Неприхотливы в зарядке - это не означает, что их можно заряжать любым напряжением. Далее Вы пишете: "Будет очень даже отлично, ведь вдруг забыл выключить свет и аккумулятор сел еще до того как успеет подзарядится" - говорите так, будто зарядка аккума происходит только в светлое время суток))) Это ветряк, а не солнечная батарея. При правильно работающей системе, при постоянном ветре, аккум вообще не должен разряжаться, если даже забыли выключить свет. Но идея фотоэлемента сама по себе хороша с точки зрения автоматизации. Далее: светодиодная лента, наверное, будет работать, как Вы говорите, и при 30 вольтах, однако, долго ли? Сопротивления ограничивают ток, да, но он же будет расти пропорционально повышению напряжения, а не оставаться постоянным! Диоды очень не любят превышения рабочего тока. Так, что результат известен: перегрев диодов и, как следствие, резкое снижение срока эксплуатации, либо выход их из строя крайне быстрый. Следом пишете: "Емкость также не критична, добавьте еще 1 пленочный конденсатор на 1 мкф" - для чего? Это что, фильтр помех? Почему тогда 1мкФ? И зачем там вообще фильтр? А, если не фильтр, а сглаживающий пульсации элемент, то тут как раз его емкость критична! Емкость - это основной параметр конденсатора вообще-то. А 1мкФ - это пустое место для описанной человеком системы, ничего он не сгладит. Даже 1000мкФ, которую хотел установить автор вопросов - очень мало для его задумки. Я бы понял, если бы это было 5000-7000 или даже 10000мкФ, а то и больше. В конце человек спрашивает, хватит ли мотоаккума, чтобы лента светилась всю ночь, и Вы отвечаете, что, мол, конечно, хватит. Вы изучали физику в школе? Или еще изучаете? Это было Ваше предположение пальцем в небо или хоть какой-нибудь элементарный расчет? Давайте прикинем очень грубо: человек писал, что хочет установить 10-15м ленты. Даже, если взять минимальные значения, т.е. 10м ленты мощностью 5Вт/м, то путем нехитрых подсчетов получаем 50Вт мощности. Поделив мощность ленты на напряжение аккума (примерно 12,8В) получим ток: 50/12,8=3,9А. Емкость обычного мотоаккума примерно равна 7А/ч. Т.о. можно прикинуть, сколько времени проработает лента от полностью заряженного аккума: 7/3,9=1,79ч=1ч 47мин., т.е. почти два часа. Это далеко не вся ночь. К тому же, в расчет взяты минимальные параметры и, если длина ленты или/и ее мощность будут больше, соответственно время работы от аккума пропорционально уменьшится. Вот, как-то так.
Я бы не стал всего этого писать, но дело в том, что лента стоит денег, аккум и фотореле тоже... И деньги это немалые, а чел, получивший одобрение и поддержку своей идеи в комментах людей, не понимающих сути и нюансов процесса, радостно побежит в магаз, потратит деньги на комплектующие, а в итоге получит систему, неработоспособную в принципе, изначально. Не надо давать советы, не разбираясь в вопросе!

В этой статье я опишу весь цикл изготовления драйвера шагового электромотора для экспериментов. Это не конечный вариант, он рассчитан на управление одним электромотором и необходим только для исследовательских работ, схема конечного драйвера шагового двигателя будет представлена в отдельной статье.

Для того чтобы изготовить контроллер шагового двигателя, необходимо понять принцип работы самих шаговый электрических машин и чем они отличается от других типов электромоторов. А разновидностей электрических машин существует огромное множество: постоянного тока, переменного тока. Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Описывать каждый тип электродвигателей я не стану так-как это выходит за рамки данной статьи, скажу лишь что каждый тип двигателя имеет свои преимущества и недостатки. А что же такое шаговый электродвигатель и как им управлять?

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками (обычно с четырьмя), в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Принципиальная электрическая схема шагового мотора дает представление о его устройстве.

В качестве силовых ключей я применил транзисторы IRF634B максимальное напряжение исток-сток 250В, ток стока 8,1А, этого более чем достаточно для моего случая. Со схемой более менее разобрались будем рисовать печатную плату. Рисовал в встроенном в Windows редакторе Paint, скажу это не самая лучшая затея, в следующий раз буду использовать какой-нибудь специализированный и простой редактор печатных плат. Ниже представлен рисунок готовой печатной платы.

Далее это изображение в зеркальном отражении распечатываем на бумаге при помощи лазерного принтера. Яркость печати лучше всего сделать максимальной, а бумагу нужно использовать не обычную офисную а глянцевую, подойдут обычные глянцевые журналы. Берем лист и печатаем поверх имеющегося изображения. Далее получившуюся картинку прикладываем к заранее подготовленному куску фольгированного стеклотекстолита и хорошенько проглаживаем утюгом в течении 20 минут. Утюг нужно нагреть до максимальной температуры.
Как подготовить текстолит? Во первых его нужно отрезать по размеру изображения печатной платы (при помощи ножниц по металлу или ножовкой по металлу), во вторых зашкурить края мелкой наждачной бумагой, чтобы не осталось заусенцев. Также необходимо пройтись наждачкой по поверхности фольги, снять окислы, фольга приобретет ровный красноватый оттенок. Далее поверхность обработанную наждачной бумагой нужно протереть ваткой смоченной в растворитель (используйте 646 растворитель он меньше воняет).
После прогрева утюгом, тонер с бумаги запекается на поверхность фольгированного стеклотекстолита в виде изображения контактных дорожек. После этой операции плату с бумагой необходимо остудить до комнатной температуры и положить в ванночку с водой примерно на 30 минут. За это время бумага раскиснет и ее нужно аккуратно скатать подушечками пальцев с поверхности текстолита. На поверхности останутся ровные черные следы в виде контактных дорожек. Если у вас не получилось перенести изображение с бумаги и у вас есть огрехи, тогда следует смыть тонер с поверхности текстолита растворителем и повторить все заново. У меня все получилось с первого раза.
После получения качественного изображения дорожек, необходимо вытравить лишнюю медь, для этого нам понадобится травильный раствор который мы приготовим сами. Раньше для травления печатных плат я использовал медный купорос и обычную поваренную соль в соотношении на 0,5 литра горячей воды по 2 столовые ложки с горкой медного купороса и поваренной соли. Все это тщательно размешивалось в воде и раствор готов. Но в этот раз попробовал иной рецепт, очень дешевый и доступный.
Рекомендуемый способ приготовления травильного раствора:
В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 2 чайные ложки поваренной соли. Этого раствора должно хватить для травления площади 100 см2. Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора и в процессе травления практически не расходуется.
После приготовления раствора, печатную плату необходимо опустить в емкость с раствором и наблюдать за процессом травления, тут главное не передержать. Раствор съест непокрытую тонером поверхность меди, как только это произойдет плату необходимо достать и промыть холодной водой, далее ее нужно просушить и снять с поверхности дорожек тонер при помощи ватки и растворителя. Если в вашей плате предусмотрены отверстия для крепления радиодеталей или крепежа, самое время просверлить их. Я опустил эту операцию по причине того что это всего лишь макетный драйвер шагового двигателя, предназначенный для освоения новых для меня технологий.
Приступаем к лужению дорожек. Это необходимо сделать чтобы облегчить себе работу при пайке. Раньше я лудил при помощи припоя и канифоли, но скажу это "грязный" способ. От канифоли много дыма и шлака на плате который нужно будет смывать растворителем. Я применил другой способ, лужение глицерином. Глицерин продается в аптеках и стоит копейки. Поверхность платы необходимо протереть ваткой смоченной в глицерине и наносить припой паяльником точными мазками. Поверхность дорожек покрывается тонким слоем припоя и остается чистой, лишний глицерин можно удалить ваткой или промыть плату в воде с мылом. К сожалению у меня нет фотографии полученного результата, после лужения, но получившееся качество впечатляет.
Далее необходимо припаять все радиодетали на плату, для пайки SMD компонентов я использовал пинцет. В качестве флюса использовал глицерин. Получилось очень даже аккуратно.
Результат налицо. Конечно после изготовления плата выглядела лучше, на фото она уже после многочисленных экспериментов (для этого она и создавалась).

Данная управляющая программа заставляет делать один полный оборот вала шагового двигателя, после перерыва длительностью в одну секунду, повторяется до бесконечности. Можно поэкспериментировать со скоростью вращения, направлением вращения а также углами поворотов.

Шаговый двигатель это не только мотор приводящий в действие всевозможный устройства (принтер, сканер и т.п), но и неплохой генератор! Основным достоинством такого генератора является то, что ему не нужны большие обороты. Иными словами, даже при небольших оборотах шаговый двигатель вырабатывает достаточно много энергии. То есть обычному велосипедному генератору требуются начальные обороты до того пока фонарь не начнет светить ярким светом. Этот недостаток пропадает при использовании шагового двигателя.

В свою очередь шаговый двигатель обладает и рядом недостатков. Основным из них является большое магнитное залипание.

Ну да ладно. Для начала нам необходимо найти шаговый двигатель. Тут работает правило: Чем двигатель больше - тем лучше.

Начнем с самого большого. Я выдрал его из плоттера для печати, это такой большой принтер. На вид двигатель выглядит довольно большим.

Перед тем как показать вам схему стабилизации и питания я хочу показать Вам метод крепления на Ваш велобайк.

Вот ещё один вариант с двигателем поменьше.

Я думаю каждый из Вас при постройке выберет наиболее подходящий для него вариант.

Ну а теперь время пришло поговорить о фонарях и цепях питания. Естественно все фонари - светодиодные.

Схема выпрямления обычная: блок выпрямительных диодов, пару конденсаторов большой ёмкости и стабилизатор напряжения.

Обычно из шагового двигателя выходит 4 проводе, соответствующие двум катушкам. Поэтому на рисунке два выпрямительных блока.