Co można zrobić z silnikami krokowymi. Generator wiatrowy małej mocy z silnika krokowego: domowe urządzenie z drukarki

Do działania dowolnego urządzenia elektrycznego wymagany jest specjalny mechanizm napędowy. Jednym z takich urządzeń jest silnik krokowy. Obecnie jest duży wybór różne silniki elektrycznepodzielone według typu i schematu sterownika sterowanego przez kontroler.

Co to jest silnik krokowy?

Silnik krokowy jest synchroniczny urządzenie elektromechaniczne, który przekazuje sygnał sterujący do mechanicznego ruchu wirnika. Obrót odbywa się w krokach, które są ustalane w określonej pozycji.

Zasada działania silnika krokowego

Po przyłożeniu napięcia do zacisków szczotki silnika elektrycznego uruchamiają się i zaczynają obracać się w sposób ciągły. Silnik na biegu jałowym ma specjalną właściwość, jest to przekształcenie przychodzących prostokątnych impulsów w zadane położenie zastosowanego wału napędowego.

Wał przesuwa się pod stały kąt z każdym impulsem. Jeśli kilka elektromagnesów zębatych jest umieszczonych wokół centralnego elementu żelazka zębatego, to urządzenia z taką skrzynią biegów są dość skuteczne. Mikrokontroler zasila elektromagnesy. Pojedynczy elektromagnes koła zębatego pod wpływem energii przyciąga zęby koła zębatego do swojej powierzchni, dzięki czemu wał silnika wykonuje obrót. Gdy zęby są ustawione w linii z elektromagnesem, przesuwają się nieznacznie w kierunku sąsiedniego elementu magnetycznego.

Do biegu zaczął się obracać i ustawiać z poprzednim kołem pierwszy elektromagnes jest wyłączany, a następny jest włączany. Następnie cały proces jest powtarzany tyle razy, ile potrzeba. Ten obrót nazywa się stałym skokiem. Licząc liczbę kroków przy pełnym obrocie silnika, określa się prędkość jego obrotów.

Modele silników krokowych

Zgodnie z konstrukcją wirnika, silniki krokowe dzielą się na trzy typy: reluktancyjne, z magnesami trwałymi i hybrydowe.

1. Synchroniczne silniki reluktancyjne są obecnie rzadko używane. Stosuje się je, gdy potrzebny jest mały moment, a kąt obrotu stopnia jest zbyt duży. Wirnik jest wykonany z miękkiego materiału magnetycznego z wyraźnymi biegunami, ma duży kąt nachylenia, przy braku prądu nie ma momentu trzymającego. To najprostszy i najtańszy silnik. Stojan ma sześć biegunów i trzy fazy, podczas gdy wirnik ma cztery bieguny. W tym przypadku krok urządzenia wynosi 30 stopni. Wirujące pole magnetyczne jest wytwarzane przez sekwencyjne włączanie faz stojana. W jednym kroku wirnik obraca się o kąt mniejszy niż kąt stojana, jest to spowodowane mniejszą liczbą biegunów.
2. Silnik z magnesami trwałymi składa się z wirnika z magnesami trwałymi i dwufazowego stojana. W odróżnieniu od urządzeń reaktywnych w silnikach z magnesami trwałymi po usunięciu sygnału sterującego wirnik jest unieruchomiony. Wynika to z dużych momentów obrotowych. Ponieważ procesowi wytwarzania wirnika towarzyszą duże trudności technologiczne (duża liczba biegunów + magnesy trwałe), uzyskuje się duży skok kątowy do 90 stopni. To ich jedyna wada. Podczas pracy z jednobiegunowym obwodem sterującym można odczepić uzwojenia w środku. Uzwojenia bez odczepu środkowego są zasilane przez bipolarny obwód sterujący. Na tej podstawie urządzenie silnika krokowego dzieli się na dwa typy w zależności od rodzaju uzwojeń, jednobiegunowe i bipolarne.

Jednobiegunowy. Możesz zmienić położenie biegunów magnetycznych bez zmiany kierunku prądu. Wystarczy osobno włączyć każdą fazę uzwojenia. Urządzenie składa się z jednego uzwojenia na fazę z odgałęzieniem umieszczonym pośrodku.

Dwubiegunowy . Takie silniki mają jedno uzwojenie na fazę, nie ma wspólnego zacisku, ale są dwa na fazę. Z tego powodu urządzenia bipolarne są silniejsze niż jednobiegunowe. Aby zmienić polaryzacje magnetyczne biegunów, zmienia się kierunek prądu w uzwojeniu.

Silnik hybrydowy

Aby zmniejszyć kąt kroku, a hybrydowy silnik krokowy... W swojej konstrukcji zawiera najlepsze właściwości silnika z magnesami trwałymi i silnika odrzutowego. Wirnik ma postać cylindrycznego magnesu namagnesowanego wzdłuż osi podłużnej. Stojan składa się z dwóch lub czterech faz, które znajdują się między parami wyraźnych biegunów.

Jak uruchomić silnik krokowy, jego sterowanie

Praca połączeniowa a sterowanie silnikiem krokowym będzie zależeć od tego, jak chcesz uruchomić urządzenie i ile przewodów jest w napędzie. Silniki krokowe mogą mieć od 4 do 8 przewodów, więc do ich podłączenia używany jest określony obwód.

• Z czterema przewodami. Uzwojenie każdej fazy ma dwa przewody. Aby podłączyć sterownik krok po kroku, musisz znaleźć sparowane przewody z ciągłym połączeniem między nimi. Ten silnik jest używany tylko z urządzeniem bipolarnym.
• Z pięcioma przewodami. Centralne zaciski silnika są wewnętrznie połączone w solidny kabel i wyprowadzone na jeden przewód. Nie można oddzielić uzwojeń od siebie, ponieważ pojawi się wiele przerw. Możesz wyjść z tej sytuacji, jeśli ustalisz, gdzie znajduje się środek drutu i spróbujesz podłączyć go do innych przewodników. To najskuteczniejszy i najbezpieczniejszy tryb. Następnie urządzenie jest podłączane i testowane pod kątem funkcjonalności.
• Z sześcioma przewodami. Każde uzwojenie ma kilka drutów i środkowy zaczep. Do oddzielenia drutu służy urządzenie pomiarowe. Silnik można podłączyć do urządzeń jednobiegunowych i bipolarnych. Po podłączeniu do urządzenia jednobiegunowego wszystkie przewody są używane. W przypadku urządzenia bipolarnego jeden koniec drutu i jeden środkowy zaczep w każdym uzwojeniu.

Do sterowania silnikiem krokowym potrzebny jest kontroler. Sterownik to obwód dostarczający napięcie do jednej z cewek stojana. Sterownik wykonany jest w oparciu o układ scalony typu ULN 2003, w skład którego wchodzi komplet kluczy kompozytowych. Każdy wyłącznik posiada na wyjściu diody ochronne, które umożliwiają podłączenie obciążeń indukcyjnych bez konieczności dodatkowego zabezpieczenia.

Jak działa silnik krokowy?

Urządzenie może pracować w trzech trybach:

• Tryb Microstepping. Urządzenia Microstepping są najnowszymi osiągnięciami niektórych producentów i są stosowane głównie w mikroelektronice lub przenośnikach przemysłowych. Specjalny chip wytwarza takie napięcie, że wałek znajduje się w pozycji jednej setnej kroku, na przykład 20 tysięcy ruchów występuje na 1 obrót. Sterownik może wytworzyć ponad 50 tysięcy cykli napięcia sterującego na jeden obrót.
• Tryb połowiczny. Ze względu na obniżony poziom drgań w trybie półstopnia takie urządzenia są często wykorzystywane w przemyśle. Po aktywacji jednej fazy zatrzymuje się w tej pozycji, aż włączy się następna. Okazuje się, że pozycja pośrednia i dwa bieguny działają jednocześnie na ząb. Kiedy pierwsza faza jest wyłączona, wirnik przesuwa się o pół kroku do przodu.
• Tryb pełny. Napięcie sterujące jest przesyłane kolejno przez wszystkie fazy i uzyskuje się pełny krok (200 ruchów na obrót).

Specyfikacje silnika krokowego

W dziedzinie elektrotechniki i mechaniki silnik krokowy jest uważany za złożone urządzenie, które obejmuje wiele możliwości mechanicznych i elektrycznych. W praktyce obowiązują następujące parametry techniczne:

1. Znamionowy prąd i napięcie. Maksymalny dopuszczalny prąd jest podany w danych mechanicznych silnika. Prąd znamionowy jest głównym parametrem elektrycznym, przy którym silnik może pracować tak długo, jak to konieczne. Napięcie znamionowe jest rzadko podawane, jest obliczane zgodnie z prawem Ohma. Pokazuje stałe maksymalne napięcie na uzwojeniu silnika, gdy jest on w trybie statycznym.
2. Opór fazowy. Parametr pokazuje, jakie maksymalne napięcie można przyłożyć do uzwojenia fazy.
3. Indukcyjność fazowa. Ten parametr pokazuje, jak szybko prąd w uzwojeniu wzrośnie. Aby prąd wzrastał szybciej podczas przełączania faz przy wysokich częstotliwościach, napięcie musi być wykonane więcej.
4. Liczba pełnych kroków w 1 obrocie. Parametr pokazuje dokładność silnika elektrycznego, jego płynność i dopuszczalną zdolność.
5. Moment obrotowy. Dane mechaniczne pokazują prędkość, która zależy od momentu obrotowego. Parametr wskazuje maksymalny czas obrotu silnika elektrycznego.
6. Faza utrzymywania. Ta faza pokazuje moment obrotowy, gdy urządzenie jest zatrzymane. Obie fazy urządzenia muszą być zasilane prądem znamionowym.
7. Chwila otępienia. W przypadku braku napięcia zasilania konieczne jest obrócenie wału silnika.
8. Czas energii wirnika. Wskazuje, jak szybko silnik przyspiesza. Im niższy wskaźnik, tym wyższa prędkość przyspieszania.
9. Napięcie przebicia. Parametr odnosi się do sekcji bezpieczeństwa elektrycznego i pokazuje najniższe napięcie, które przebija izolację między obudową a uzwojeniami urządzenia.

Czy w ogóle rozumiesz, co piszesz? A może piszesz, aby wesprzeć osobę w jej przedsięwzięciach, a on, wydając pieniądze na komponenty swojego systemu, skończył z absolutnie niedziałającą rzeczą? Odpowiadasz: "Silnik jak generator będzie pasował" - tak, ale skąd masz 1,1-1,5A? Przy jakim napięciu? Przy jakiej prędkości obrotowej wirnika? Następnie piszesz: „Standard mocy taśmy 1m, czyli 5W…” - nie ma tu standardu mocy, a taśmy mają około 5W i około 14W, a około 7W na metr itd., A to bardzo duży rozpiętość. Kontynuujemy: „Skoro tak bardzo skończyłeś, może wystarczyć naładowanie baterii” - co to w ogóle oznacza? Fakt, że im bardziej złożony, wyrafinowany i zawiły schemat, tym większy jest zwrot i efektywność? Kompletne bzdury. Do naładowania akumulatora motocyklowego 12V potrzeba około 14-15V przy prądzie około 0,6-0,7A (dla wydajności około 7A / h). Czy jesteś pewien, że system jest w stanie wytwarzać takie parametry przez długi czas? W końcu 2-3 godziny to za mało, aby naładować rozładowany akumulator motocykla. Czy też uważasz, że możesz ładować z 18V? Tak, możesz, ale elektrolit zagotuje się za tydzień, jeśli nie wcześniej, a talerze posypią się. Dobra rekomendacja! Są bezpretensjonalne w ładowaniu - nie oznacza to, że można je ładować dowolnym napięciem. Potem piszesz: „Będzie bardzo fajnie, bo nagle zapomniałem zgasić światła i akumulator usiadł jeszcze zanim zdążył się naładować” - powiedzmy tak, jakby akumulator ładował się tylko w ciągu dnia))) To turbina wiatrowa, a nie bateria słoneczna. Przy prawidłowo działającym systemie, przy ciągłym wietrze, bateria nie powinna w ogóle się rozładowywać, nawet jeśli zapomniałeś zgasić światła. Ale sam pomysł na fotokomórkę jest dobry z punktu widzenia automatyzacji. Dalej: taśma LED prawdopodobnie będzie działać, jak mówisz, i przy 30 woltach, jednak przez jak długo? Opory ograniczają prąd, tak, ale będzie on wzrastał proporcjonalnie do wzrostu napięcia i nie pozostanie stały! Diody nie lubią zbytnio przekraczać prądu roboczego. Tak więc wynik jest znany: przegrzanie diod, aw konsekwencji gwałtowny spadek żywotności lub ich awaria jest niezwykle szybka. Następnie napisz: „Pojemność też nie jest krytyczna, dodaj jeszcze 1 mikrofaradowy kondensator foliowy” - po co? Czy to filtr szumów? Dlaczego więc 1 μF? A dlaczego w ogóle jest filtr? A jeśli nie jest to filtr, ale element wygładzający pulsację, to jego pojemność jest krytyczna! Pojemność jest właściwie głównym parametrem kondensatora. A 1μF to pusta przestrzeń na opisywany przez człowieka system, niczego to nie wygładzi. Nawet 1000uF, które autor pytań chciał ustalić, to bardzo mało dla jego pomysłu. Zrozumiałbym, gdyby to było 5000-7000 lub nawet 10000 μF, a nawet więcej. Na koniec osoba pyta, czy akumulator motocykla wystarczy, aby taśma świeciła przez całą noc, a Ty odpowiadasz, że oczywiście wystarczy. Czy uczyłeś się fizyki w szkole? Czy nadal się uczysz? Czy to było twoje przypuszczenie z palcem w niebie, czy przynajmniej jakieś podstawowe obliczenia? Oszacujmy bardzo z grubsza: osoba napisała, że \u200b\u200bchce zainstalować 10-15m taśmy. Nawet jeśli weźmiemy wartości minimalne, tj. 10 m taśmy o mocy 5 W / m, to z prostych obliczeń otrzymujemy 50W mocy. Dzieląc moc taśmy przez napięcie akumulatora (około 12,8V), otrzymujemy prąd: 50 / 12,8 \u003d 3,9A. Wydajność konwencjonalnego akumulatora motocyklowego wynosi około 7 A / h. Więc można oszacować, jak długo taśma będzie działać przy w pełni naładowanym akumulatorze: 7 / 3,9 \u003d 1,79 h \u003d 1 h 47 min., czyli prawie dwie godziny. To nie jest cała noc. Dodatkowo brane są pod uwagę minimalne parametry, a jeśli długość taśmy lub / i jej moc są większe, czas pracy z akumulatora będzie się proporcjonalnie zmniejszał. Coś w tym stylu.
Nie pisałbym tego wszystkiego, ale faktem jest, że taśma kosztuje pieniądze, bateria i fotoprzekaźnik też ... A to dużo pieniędzy, a ludzie, którzy otrzymali aprobatę i wsparcie dla swojego pomysłu w komentarzach osób, które nie rozumieją istoty i niuansów procesu, szczęśliwie pobiegnie do sklepu, wyda pieniądze na komponenty, a na koniec otrzyma początkowo niesprawny w zasadzie system. Nie musisz udzielać porad bez zrozumienia problemu!

W tym artykule opiszę cały cykl wytwarzania sterownika silnika krokowego do eksperymentów. Nie jest to wersja ostateczna, jest przeznaczona do sterowania jednym silnikiem elektrycznym i jest potrzebna tylko do prac badawczych, ostateczny obwód sterownika silnika krokowego zostanie przedstawiony w osobnym artykule.

Aby wykonać sterownik silnika krokowego, konieczne jest zrozumienie zasady działania samych krokowych maszyn elektrycznych oraz tego, czym różnią się one od innych typów silników elektrycznych. Istnieje ogromna różnorodność maszyn elektrycznych: prąd stały, prąd przemienny. Silniki prądu przemiennego dzielą się na synchroniczne i asynchroniczne. Nie będę opisywał każdego typu silników elektrycznych, ponieważ wykracza to poza zakres tego artykułu, powiem tylko, że każdy typ silnika ma swoje zalety i wady. Ale co to jest silnik krokowy i jak nim sterować?

Silnik krokowy to synchroniczny bezszczotkowy silnik elektryczny z wieloma uzwojeniami (zwykle czterema), w którym prąd jest doprowadzany do jednego z uzwojeń stojana, powodując zablokowanie wirnika. Sekwencyjna aktywacja uzwojeń silnika powoduje dyskretne ruchy kątowe (kroki) wirnika. Schematyczny schemat silnika krokowego daje wyobrażenie o jego budowie.

Jako klawisze zasilania użyłem Tranzystory IRF634B maksymalne napięcie źródła-drenu 250V, prąd drenu 8,1A, to więcej niż wystarczające dla mojego przypadku. Po mniej więcej uporządkowaniu obwodu narysujemy płytkę drukowaną. Narysowałem we wbudowanym edytorze Windows Paint, powiem, że to nie jest najlepszy pomysł, następnym razem użyję jakiegoś wyspecjalizowanego i prostego edytora PCB. Poniżej znajduje się rysunek gotowej płytki PCB.

Następnie drukujemy ten obraz w odbiciu lustrzanym na papierze za pomocą drukarki laserowej. Najlepiej jest zmaksymalizować jasność wydruku i użyć papieru błyszczącego zamiast zwykłego papieru biurowego, wystarczą zwykłe błyszczące czasopisma. Bierzemy arkusz i drukujemy na istniejącym obrazie. Następnie nakładamy powstały obraz na wstępnie przygotowany kawałek włókna szklanego pokrytego folią i prasujemy go dokładnie żelazkiem przez 20 minut. Żelazko należy podgrzać do maksymalnej temperatury.
Jak przygotować tekstolit? Po pierwsze, należy go przyciąć do rozmiaru obrazu płytki drukowanej (nożyczkami do metalu lub piłą do metalu), a po drugie przeszlifować krawędzie drobnym papierem ściernym, aby nie pozostały żadne zadziory. Musisz również przeszlifować powierzchnię folii, usunąć tlenki, folia nabierze równomiernego czerwonawego odcienia. Następnie powierzchnię potraktowaną papierem ściernym należy przetrzeć wacikiem zamoczonym w rozpuszczalniku (użyj 646 rozpuszczalnika, mniej śmierdzi).
Po podgrzaniu żelazkiem toner z papieru jest wypalany na powierzchni pokrytego folią włókna szklanego w postaci obrazu ścieżek kontaktowych. Po tej operacji tekturę z papierem należy schłodzić do temperatury pokojowej i wstawić do kąpieli wodnej na około 30 minut. W tym czasie papier zwiotczeje i należy go ostrożnie odwijać opuszkami palców od powierzchni PCB. Na powierzchni pozostaną nawet czarne ślady w postaci śladów kontaktowych. Jeśli nie udało Ci się przenieść obrazu z papieru i masz wady to zmyj rozpuszczalnikiem toner z powierzchni PCB i powtórz to wszystko od nowa. Zrobiłem to dobrze za pierwszym razem.
Po uzyskaniu wysokiej jakości obrazu torów konieczne jest wytrawianie nadmiaru miedzi, do tego potrzebujemy roztworu trawiącego, który sami przygotujemy. Wcześniej do wytrawiania płytek drukowanych użyłem siarczanu miedzi i zwykłej soli kuchennej w proporcji 0,5 litra gorącej wody, po 2 łyżki stołowe każda ze szkiełkiem siarczanu miedzi i soli kuchennej. Wszystko to zostało dokładnie wymieszane z wodą i roztwór jest gotowy. Ale tym razem wypróbowałem inny przepis, bardzo tani i niedrogi.
Zalecana metoda przygotowania roztworu trawiącego:
W 100 ml apteki rozpuszcza się 3% nadtlenek wodoru, 30 g kwasu cytrynowego i 2 łyżeczki soli kuchennej. Taki roztwór powinien wystarczyć do wytrawiania powierzchni 100 cm2. Podczas przygotowywania roztworu można oszczędzić sól. Ponieważ pełni rolę katalizatora i praktycznie nie jest zużywany w procesie trawienia.
Po przygotowaniu roztworu płytkę drukowaną należy opuścić do pojemnika z roztworem i obserwować proces trawienia, najważniejsze jest, aby nie prześwietlić. Roztwór zjada miedzianą powierzchnię nie pokrytą tonerem, gdy tylko to nastąpi, należy deskę zdjąć i umyć zimną wodą, następnie wysuszyć i usunąć toner z powierzchni torów bawełnianym wacikiem i rozpuszczalnikiem. Jeśli Twoja płyta ma otwory do mocowania elementów radiowych lub łączników, czas je wywiercić. Pominąłem tę operację, ponieważ jest to tylko sterownik silnika krokowego z płytką prototypową, zaprojektowany do opanowania nowych technologii.
Zacznijmy cynować ślady. Należy to zrobić, aby ułatwić pracę podczas lutowania. Kiedyś majstrowałem przy lutowaniu i kalafonii, ale powiem, że to „brudny” sposób. Na desce jest dużo dymu i żużla z kalafonii, które należy zmyć rozpuszczalnikiem. Zastosowałem inną metodę, cynowanie gliceryną. Gliceryna jest sprzedawana w aptekach i kosztuje ani grosza. Powierzchnię płytki należy przetrzeć bawełnianym wacikiem zamoczonym w glicerynie i nanieść lutownicą za pomocą precyzyjnych pociągnięć. Powierzchnia torów pokryta jest cienką warstwą lutu i pozostaje czysta, nadmiar gliceryny można usunąć wacikiem lub deskę umyć wodą z mydłem. Niestety nie mam zdjęcia wyniku uzyskanego po cynowaniu, ale uzyskana jakość jest imponująca.
Następnie trzeba przylutować wszystkie elementy radiowe do płytki, ja użyłem pincety do przylutowania elementów SMD. Jako topnika użyłem gliceryny. Okazało się bardzo zgrabnie.
Wynik jest oczywisty. Oczywiście tablica po wyprodukowaniu wyglądała lepiej, na zdjęciu było to po licznych eksperymentach (do tego została stworzona).

Ten program sterujący wykonuje jeden pełny obrót wału silnika krokowego, po przerwie jednosekundowej powtarza się w nieskończoność. Możesz eksperymentować z prędkością obrotową, kierunkiem obrotu i kątami skrętu.

Silnik krokowy to nie tylko silnik napędzający wszelkiego rodzaju urządzenia (drukarkę, skaner itp.), Ale także dobry generator! Główną zaletą takiego generatora jest to, że nie wymaga on dużej prędkości. Innymi słowy, nawet przy niskich prędkościach silnik krokowy generuje bardzo dużo energii. Oznacza to, że konwencjonalny generator rowerowy wymaga początkowych obrotów, zanim lampa zacznie świecić jasnym światłem. Ta wada znika podczas korzystania z silnika krokowego.

Z kolei silnik krokowy ma szereg wad. Głównym z nich jest wysoka przyczepność magnetyczna.

Tak czy siak. Najpierw musimy znaleźć silnik krokowy. Tutaj zasada działa: im większy silnik, tym lepiej.

Zacznijmy od największego. Wyrwałem go z plotera do druku, to taka duża drukarka. Silnik wygląda na dość duży.

Zanim pokażę Wam układ stabilizacji i zasilania, pokażę Wam sposób mocowania do roweru.

Oto inna opcja z mniejszym silnikiem.

Myślę, że każdy z Was podczas budowy wybierze dla niego najbardziej odpowiednią opcję.

Cóż, teraz pora porozmawiać o latarkach i obwodach zasilania. Oczywiście wszystkie światła są LED.

Obwód prostowniczy jest konwencjonalny: blok diod prostowniczych, para kondensatorów o dużej pojemności i stabilizator napięcia.

Zwykle z silnika krokowego wychodzą 4 przewody, odpowiadające dwóm cewkom. Dlatego na rysunku są dwa prostowniki.