Электроприводы, как шаг в будущее

“Шаг в будущее”

“Шаг в будущее” — техника, предназначенная для описания ожидаемых явлений. Она предполагает, что протагонист разыгрывает какую-то ситуацию, в которую, как он считает, он попадет в будущем. Например, протагонисту предстоит пройти собеседование по поводу приема на работу: он ждет этого события в тревоге, в состоянии неуверенности в себе. Техника “шаг в будущее” перенесет протагониста в предполагаемую ситуацию и даст возможность изучить ожидаемое поведение протагониста и отрепетировать с ним ход собеседования. Или, предположим, протагонист собирается что-то рассказать родителям, но откладывает это из опасения “катастрофических последствий”. Техника “шаг в будущее” даст возможность протагонисту проиграть в ролевой игре разные сценарии с разными людьми и решать, какой из них лучше.

Рассмотрим, например, сцену, взятую из группового сеанса.

Ведущий. Давайте посмотрим, правильно ли я понял твою ситуацию. Ты сказал, что хочешь уехать из дома родителей в Лос-Анжелес. Тебе там предлагают работу. Ты уже давно это решил, но еще не говорил об этом с родителями. Почему?

Протагонист. Потому что мне хотелось, чтобы они одобрили этот переезд. Но я совершенно уверен, что они обидятся и им будет больно узнать об этом.

Ведущий. А ты хочешь, чтобы они были счастливы, узнав, что ты переезжаешь, да?

Протагонист. Ну, это уж слишком.

Протагонист. Скажем так, было бы хорошо, если бы они обрадовались этому, но я понимаю, этого быть не может. Я просто хочу, чтобы они поняли, что я не бросаю их.

Ведущий. Скажи мне, между нами, ты бросаешь их?

Протагонист. Нет! Бросить — это слишком. Просто мне нужна свобода, “пространство, чтобы дышать”. Пока они рядом, ничего этого у меня нет. Я бы сказал, я просто хочу уйти от них. А желания бросить. ну, если есть, то процента на два.

Ведущий. Предположим, что ты сказал им о своих планах. Как, ты думаешь, они отреагируют на это?

Протагонист. Мой отец не будет много говорить. А мать обидится и сделает так, чтобы я это понял. Она знает, что надо сделать, чтобы я почувствовал себя виноватым. И я начну оправдываться или грубить.

Ведущий. Ты можешь представить себе другой ход событий?

Протагонист. Сейчас нет.

Ведущий. А почему бы нам не рассмотреть эту ситуацию, когда тебе приходится оправдываться. Так, где и когда ты рассказываешь родителям о своем плане и кто участвует в ситуации? Помни, что все это — по правде.

Протагонист. Ладно. Мы на кухне вечером — мой отец, моя мать и я. (Протагонист описывает кухню и изображает ее при помощи нескольких стульев. Выбирает двух вспомогательных лиц для исполнения роли матери и отца. Все они сидят вокруг кухонного стола.)

Ведущий. Кто начинает разговор?

Протагонист. Я. Я хотел бы поговорить с вами о. (пауза.) о чем-то. об очень важном. (Поворачивается к ведущему). Не знаю, как быть.

Ведущий. Может быть, тебе дать дублера в помощь? Ты ведь знаешь, кто такой дублер; мы уже работали с ним. Твой дублер попробует быть тобой, как будто вы двое — это один человек, который ведет разговор сам с собой. Когда твой дублер прав, поблагодари его. Если он не прав — исправь. Ты можешь, когда захочешь, советоваться со своим дублером. Кто может быть твоим дублером? (Протагонист выбирает одного из участников.)

Дублер (садится так же, как протагонист, сбоку от него и молча ждет несколько секунд). Не знаю, как быть.

Дублер. Я не знаю, как начать. Это безумно трудно!

Дублер. Я боюсь начинать.

Дублер. Вот бы не делать этого вовсе!

Протагонист. Правильно, и можешь сказать это еще раз.

Дублер. Может быть, оставить все, как есть. Раз это так трудно для меня, я бы лучше вообще отступился от этой неприятной ситуации.

Протагонист. Этого я сделать не могу.

Дублер. Нет, этого я сделать не могу. Надо собрать все свое мужество и пройти через это.

Протагонист. Правильно. (Родителям). Я. э. я хочу. Мы все здесь, потому что я хотел кое-что сказать вам. о решении, которое я принял.

Отец. В чем дело?

Мать. Надеюсь, что-нибудь хорошее.

Дублер. Надо же ей было такое сказать! Что я теперь скажу?

Протагонист (дублеру). Я начал, я должен идти вперед. (Родителям). Хорошее для меня. Я решил, что мне пора стать более самостоятельным.

Протагонист (после глубокого вздоха). Я хочу перебраться в Лос-Анжелес. У меня там работа и мне там будет хорошо.

Мать (после паузы). Если ты чувствуешь, что мы не даем тебе быть самостоятельным, тогда. что я могу сказать? Если ты чувствуешь, что ты должен оставить нас и отправиться куда-то еще, о чем же спорить тогда?

Протагонист (дублеру). Чувствую, как поднимается чувство вины.

Дублер. Еще бы! Она снова в своем духе.

Протагонист. Я не оставляю вас. То есть я не бегу от вас, ничего подобного.

Ведущий. У тебя хорошо получается. Веди себя как можно более оборонительно, затравленно.

Протагонист. Ведь это не значит, что я вас не люблю. Конечно, люблю. Я не говорю, что вы плохие родители. Я просто пытаюсь дальше взрослеть без вас. Ну, пожалуйста, не смотрите на меня так. Я просто имею в виду, что мне нужно быть самим собой.

Дублер. Мне так плохо, что я даже не могу сделать так, чтобы это прозвучало как надо.

Протагонист. Правильно. И чем больше я пытаюсь объяснить, тем более виноватым я себя ощущаю.

Дублер. А предполагается, что все так и будет?

Протагонист. Нет, все должно быть иначе. Чем больше говоришь об этом, тем легче все получается.

Ведущий. Хорошо. Давайте начнем все сначала. Но теперь проследим другую реакцию, о которой ты говорил — ты грубишь.

Ситуация воспроизводится от начала до названного перерыва.

Мать (после паузы). Если ты чувствуешь, что мы не даем тебе быть самостоятельным, тогда — что я могу сказать? Если ты чувствуешь, что должен оставить нас, о чем еще спорить?

Протагонист. Я сказал не так. Почему ты меня не понимаешь?

Дублер. Я разозлился.

Протагонист. Каждый раз, когда я пытаюсь тебе что-то объяснить, ты все переворачиваешь с ног на голову. Ты все понимаешь так, как хочется тебе, а не как хочется мне. Я просто говорю, что мне нужно больше свободы. Неужели не ясно?

Дублер. Мне это абсолютно ясно.

Отец. Ясно одно. Ты так и не научился разговаривать с матерью.

Протагонист (в волнении). А что плохого в том, как я с ней разговариваю? Почему всегда плохое во мне? Вы не задумывались никогда над тем, что в вас что-то плохо?

Дублер. Я злюсь все больше и больше, что будет, не знаю.

Протагонист (дублеру). Вот видишь, я говорил, что мне лучше молчать.

Дублер. Я не могу молчать при них, но стоит начать разговор — обязательно случается вот такое.

Протагонист (дублеру). Так что мне делать?

Ведущий. Достаточно. Всем спасибо. Что ты думаешь? Как все было?

Протагонист. Чувствую себя ужасно. Когда-нибудь я смогу сделать это так, как надо?

Ведущий. Мы можем испытать другие пути, если хочешь.

Протагонист. Да, хочу.

Ведущий. Давайте пару минут поговорим о том, как все это может быть, а затем разыграем это. Ладно?

Другим вариантом техники “шаг в будущее”, также помогающим протагонисту освоиться в будущем, является “тест на нахождение выхода”. Эта прогностическая процедура применяется перед выпиской госпитализированных пациентов. В этой технике протагонист проигрывает ряд фрустрирующих ситуаций, с которыми он предположительно может столкнуться во внешнем мире. Поведение в этих ситуациях может служить показателем готовности протагониста встретиться один на один с реальным миром.

В целом техника “шаг в будущее” освещает элементы неизвестности, поджидающие каждого в будущем, делая их явными и конкретными. Она знакомит протагониста с его будущими желаниями, важными взаимоотношениями. Психологически техника нацелена на устранение или существенное ослабление предвосхищаемых тревог, особенно тех, которые воздействуют на поведение в настоящем. Эта техника может быть хорошим разогревом. При этом основное ее значение заключается в формировании уверенности в себе, воодушевления и усилении веры в свои силы. Поощрять, воодушевлять протагониста — это значит поддержать в нем веру в его способности удовлетворительно справляться с грядущими сложностями, усилить уверенность в своих силах.

В терминах нашей методики моделирования поведения (глава 1), техника “шаг в будущее” сочетает в себе элементы двух миметических поведений. По определению, это прежде всего ситуация “как будто”, так как она включает много неизвестных, допускаемых элементов. И протагонист, и вспомогательные лица должны действовать, как будто бы воображаемая будущая ситуация совершенно реальна.

В литературе по технике “шаг в будущее” (Яблонски, 1956, 1974, 1976) предполагается, что ее терапевтическая эффективность зависит от степени выполнения следующих четырех условий:

Изображаемая ситуация должна представлять определенную важность для протагониста.

Протагонист в действительности собирается участвовать в этой ситуации.

Вспомогательные лица должны заставить протагониста почув ствовать реальность будущей ситуации.

“Шаг в будущее” должен быть введен только после эффек тивного разогрева.

“Давайте переведем часы вперед на (установить дату, год и, если нужно, месяц, время года или день). Теперь мы в году. Сколько тебе лет? Чем ты зарабатываешь себе на жизнь? Где проходит встреча, интервью, дискуссия и т. д.? Который теперь час? Кроме тебя, кто еще участвует? Пожалуйста, организуй пространство действия и давай начинать”. После каждого вопроса терапевт ждет ответа протагониста. Важно задавать эти и другие вопросы, чтобы помочь протагонисту войти в роль. Если протагонист состоит в браке, можно спросить, есть ли дети, и как их зовут (в воображении).

протестировать отношения, реакции, навыки и их последствия для протагониста в контексте будущих сложностей;

диагностически проверить, есть ли под амбициями и устрем лениями протагониста реальная основа. Помочь протагонисту опре делить ценность его будущих целей;

использовать это как “тест на выход из затруднений”;

смягчить давление; рассмотреть причины недостатка мотивации для достижения цели, вызванные низкой степенью уверенности в себе;

снизить тревогу, тормозящую действие из страха перед неиз вестными последствиями;

подготовить протагониста к более эффективному поведению в будущем, то есть потренировать его.

Противопоказание. Обычно технику “шаг в будущее” не следует вводить в первой сцене сеанса.

Взгляд в будущее: какими будут автомобили через 25 лет

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

Очень сложно ответить на вопрос о будущем облике автомобиля через 25 лет. За этот срок, как считают специалисты, он так и останется транспортом с рулевым колесом. А обо всем остальном знают лишь инженеры и конструкторы ведущих фирм.

1. Какой двигатель будет в автомобиле будущего?

По мнению главы отдела инноваций фирмы Ricardo, к 2040 году большинство машин будет «электрифицировано». Двигатель внутреннего сгорания уже не будет играть главную, исключительную роль в приводе автомобиля. Его задачей станет поддержка электромотора. Двигатель, вероятно, станет меньше, получит турбонаддув или электрический наддув и станет более эффективным.

Перспективными являются двигатели Стирлинга, двигатели с разделенным циклом, и многотопливные двигатели.

2. Будут ли развиваться водородные автомобили?

В течение последних двух десятилетий, мир охвачен идеей электромобилей на водородных топливных элементах. Они обеспечивают высокую эффективность и экологические характеристики транспортного средства.

По заявлениям специалистов, если инфраструктура водородной бизнес-модели будет работать, автопроизводители станут серьезней относиться к водородному транспорту и к 2040 году уже будут десятки миллионов водородных машин.

Основные ставки специалисты делают на лидеров в отрасли: Toyota, Honda и Hyundai.

3. Останутся ли бензин и дизель основными видами топлива?

Еще пятнадцать лет назад специалисты из нефтяной промышленности предупреждали, к 2040 году добывать нефть станет очень дорого, а некоторые нефтяные источники иссякнут. Сегодня информация не стол пессимистична.

По оценкам разных организаций, запасы нефти и газа в мире колеблются от катастрофически малых до очень больших. Но очевидно, что в ближайшее время бензин и дизельное топливо останутся основными топливами. Также будут использоваться спирт и газ, получаемые из растений и биомассы.

4. Какие шины будут на автомобилях?

Для получения информации о состоянии шины, давлении, степени износа, необходимо считывать данные с датчиков на колесе.

После того, как этот этап будет достигнут, автомобили смогут обмениваться информацией о состоянии дорожного покрытия и температуры с другими транспортными средствами с помощью системы связи V2V. Адаптивные шины Goodyear TripleTube могут менять свою форму в зависимости от дорожных условий и особенностей использования. На влажной дороге давление будет увеличиваться, чтобы создать более длинное пятно контакта для лучшего противостояния аквапланированию.

Такая система значительно повышает безопасность при вождении, особенно с использованием антиблокировочной системы ABS.

5. Как улучшаться электрокары?

Основными камнями преткновения любого аккумулятора электрического автомобиля являются время и уровень зарядки. К 2040 году, благодаря использованию новых батарей с кобальтом, машины смогут проезжать до 800 километров на одной заряде, и заряжаться на 75% всего за 15 минут.

6. Кто или что будет управлять автомобилем?

Будем ли мы за рулем машины будущего или они будут управлять собой сами? Вероятно, будут совмещаться оба варианта, и сегодня все основные производители работают над автомобилями с автопилотом.

К 2020 году на серийных машинах будут функции автоматической парковки и автономного вождения в полосе магистрали.

К 2040 году, автомобили будут полностью автономны, например для удаленного вызова автомобиля, либо в путешествии на дальние расстояния.

7. Что изменится внутри салона?

Очередным шагом в создании салона автомобиля следующего поколения является объединение информационных и развлекательных инструментов.

BMW уже разрабатывает кабину будущего, которая включает в себя большой экран почти на всю ширину машины. Система полностью готова для автономного вождения, позволяя водителям принимать видео звонки, когда автомобиль находится в режиме самостоятельного вождения и демонстрировать важнейшую информацию, когда водитель садится в машину.

Следующий шаг: позволить водителю персонализировать салон, выбирая темы для приборной панели и даже загружать различные стили для приборов. Первые версии этой персонификации уже доступны на Mercedes-Benz E-класса.

8. Не будут ли высокотехнологичные интерьеры отвлекать водителей?

Нажатие на сенсорный экран скоро станет старомодным. Следующим шагом в информационно-развлекательных системах автомобиля будет контроль жестов. Движения водителя будут отслеживаться внутренними камерами, так что машина будет знать, хочет ли он открыть окно или понизить температуру. Кроме того, эта технология позволяет распознавать автомобилю определять приближение водителя и автоматически открывать дверь для него.

Читайте также:  Чем отличается тюнинг от рестайлинга?

9. Из чего будут сделаны автомобили?

Ожидается, что через 25 лет автомобили будут построены с использованием более широкого спектра легких материалов, чем сегодня. Даже двигатели и коробки передач могут быть частично выполнены из пластика, что даст существенную экономию веса.

Легкие стали, алюминий, углеволокно, пластмассы и некоторые биоматериалы, такие как лен, вероятно, образуют основную структуру автомобиля 2040 года. Если производство углеволокна будет развиваться и дальше нынешними темпами, то его цена снизиться на 80%.

10. Как автомобиль будет внедрен в городскую систему?

Идея проста: с помощью Интернета организуется взаимосвязь автомобилей с городскими системами, чтобы сделать работу больших городов более эффективной. Самый простой пример: проезжая часть освещается только когда по улице движется транспорт, а остальное время экономится электроэнергия. Городская система может регулировать распределение городских потоков, определять наличие парковочных мест и сообщать эту информацию водителям. В Лондоне уже существуют подобные экспериментальные районы .

Автомобиль будущего будет в значительной степени зависеть от технологии, которая сделает его гораздо более дружественным к городам. Новые модели, запущенные в 2020 году, будут уже оснащены описанной технологией.

11. Как будут заряжаться электромобили через 25 лет?

Электрические транспортные средства и гибриды станут проще в использовании благодаря наличию беспроводной зарядки, когда даже не нужно подключать кабель к автомобилю.

Беспроводная зарядка работает по принципу «магнитного резонанса» на расстоянии до 20 сантиметров. Можно устанавливать зарядные электролинии прямо на поверхности дороги.

12. Как будут выглядеть машины будущего?

Что же касается внешности, то лучшие автокомпании мира все время экспериментируют с поиском новых решений, создавая все новые и новые привлекательные концепты, которые следом становятся реальностью .

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Шаговый двигатель

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].

Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.

Конструкция шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель – имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.

Характеристики

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель – маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Типы шаговых двигателей

    По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:
  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Реактивный шаговый двигатель

Реактивный шаговый двигатель – синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор – четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:

,

  • где NR – количество полюсов ротора;
  • NS – количество полюсов статора.

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].

Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.

    Отличительные черты:
  • ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
  • наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
  • отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
  • большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности (“+” и “-“) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:
  • униполярной;
  • биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
  • биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
  • биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.

Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.

Полушаговое управление

Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Полушаговое управление – комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки .

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

    Шаговый гибридный двигатель имеет:
  • шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
  • ротор – постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
  • полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
  • статор имеет не менее чем две фазы;
  • зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Электроприводы, как шаг в будущее

Автоматизация производства становится закономерным процессом в рамках развития и представляет собой необходимое решение в связи с растущей конкуренцией в мировом масштабе. Проще говоря, мы наблюдаем эволюцию производства, когда функции контроля/управления, что до этого выполнялись людьми, делегируются автоматике.

Какие задачи решает автоматизация?

Любое предприятие, решившее этот вопрос положительно, может рассчитывать на решение широкого спектра вопросов:

  1. Существенно увеличивается производительность в плане загрузки оборудования наряду с оптимизацией процесса.
  2. Качество продукции улучшается, благодаря соблюдению всех регламентов и технологии.
  3. Положительное влияние распространяется и на условия труда.
  4. Повышается коэффициент применения материалов, что исключает ненужные траты и оптимизирует бюджет.
  5. Снижается потребность в рабочей силе, а, следовательно, и в периодическом повышении прибыли для выплат заработной платы.

Конечно, чтобы все эти задачи были решены в полном объеме, требуется использовать только высокотехнологичное и современное оборудование вкупе с программным обеспечением и высококвалифицированными специалистами, чтобы прошла без ошибок.

Какие бывают виды автоматизации производства?

Это масштабное и многоуровневое явление, в связи с этим автоматизацию можно подразделить на несколько видов:

  • Начальная или, как ее еще принято называть, частичная. Она призвана обеспечить автоматизацию рабочего машинного цикла или применение автоматики в автономном режиме. В первую очередь, автоматизации подлежат основные операции, то есть отдельные механизмы/машины.
  • Комплексный уровень, в рамках которого все операции процессов проводятся машинами и автоагрегатами с использованием специального ПО через единую систему управления. Это относится, в том числе, к перевозкам и контролю качества. Как правило, это комплекс, например, цех, участок, станция, комбинат и так далее с комплексной автоматизацией.
  • Полная. Это самая высшая ступень, предусматривающая абсолютную передачу всех управленческих функций и контроля автоматическим системам. В таком формате широко применяются автоматизированные системы управления (CIM), которые унифицируют получение и последующие передачу с использованием информации относительно всех уровней для получения максимальных показателей эффективности. Широко применяется микропроцессорная техника и ПК, интегрированные информационными сетями.

Автоматизированные системы и их разновидности

Для лучшего понимания вопроса и его специфики, стоит ознакомиться с основными разновидностями автоматизированных систем:

  1. Автоматизация АСУ ТП. Это означает, что система управления технологическими процессами автоматизирована, и она включает в себя следующие элементы:
  • Современное оснащение с программируемыми контроллерами.
  • Распределенные системы управления (далее по тексту СУ).
  • Диспетчерские СУ, нацеленные также на сбор данных.
  • СУ человеко-машинного интерфейса, используемые для двусторонней связи, где на одном «конце» оператор, а на другом – соответственно, оборудование.
  1. АСУП, то есть автоматизированная СУ предприятием. В нее входит целый ряд систем:
  • Решения вопросов синхронизации
  • Координации
  • Анализа и последующей оптимизации в вопросах выпуска продукции
  • Планирования ресурсов
  1. Кроме того, в последние годы повсеместно стали внедряться так называемые ГАС, то есть гибкие автоматизированные системы с роботизированными комплексами. Они призваны гарантировать самый высокий уровень гибкости переналадки. Как правило, состоят из 1 или нескольких комплексов, интегрированных с СУ производством. Практика показывает, что ГАС быстро помогает перейти на качественно новый уровень

Когда встает вопрос о выявлении степени автоматизации, нужно учитывать именно целесообразность и пользу применения на отдельно взятом производстве. Нужно понимать, что автоматизация управления производством не означает абсолютное вытеснение роботами человека, просто налицо трансформация, видоизменение человеческих взаимоотношений с машинами. Смещается центр тяжести в труде на техобслуживание автоматов и на деятельности аналитически-распорядительного характера. Конечно, это требует определенного высокого уровня квалификации сотрудников, которые работают на таком автоматизированном производстве! То есть труд становится творческим, профессиональная деятельность интеллектуализируется. Физические операции заменяются умственными, связанными с сенсорными, эмоциональными и интеллектуальными нагрузками.

Чем хороша полная автоматизация?

Полная автоматизация технологических процессов – это гарантия оперативного получения комплекса информации и данных, требуемых для принятия обоснованных и целесообразных решений и, как следствие, эффективного управления предприятием. Такая система обеспечивает двустороннюю надежную связь между цехами/подразделениями и менеджментом через автоматизацию. В результате руководитель способен за доли секунд проинформировать все без исключения подразделения о трансформациях и изменениях.

Как происходит процесс? Через:

  • Специальные программы
  • Компьютерные сети, интегрированные в цельную систему

Предприятие управляется посредством ПО и позволяет быстро получать полный объем сведений о процессе на каждом уровне и этапе, и, как результат, своевременно решать все проблемы, как технического, так и экономического характера.

В качестве резюме

Автоматизация производственных процессов доказано гарантирует увеличение эффективности через снижение издержек в рамках полного контроля. Любое современное предприятие, вне зависимости от того, в каком сегменте оно функционирует, заинтересовано в максимальной эффективности процесса при минимальных тратах. Это базовый критерий качественной работы. Для решения этой задачи на помощь приходят инновационные высокие технологии. Если качественно провести автоматизацию, то это позволит в разы увеличить продуктивность работы, а также наладить посредством оптимизации систему управления, что дает полный контроль над всеми процессами.

Автоматизация неизбежна в прогрессе и напрямую связана с:

  • Увеличением производственных масштабов.
  • Ростом быстродействия процессов.
  • Интенсификацией на производстве и увеличением требований к качеству продукции.

Более ритмичная и высокопроизводительная работа – это итог снижения влияния человека (мастерство, скорость реакции, утомляемость и иные факторы). Это явление и дальше будет набирать обороты, так как помогает изолировать персонал завода, фабрики и тому подобных объектов от вредных веществ, повысить показатели надежности и безопасности, улучшить санитарные и гигиенические параметры, поэтому темпы будут только расти с каждым годом в сторону высшей ступени, полной автоматизации.

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 32. Следящий электропривод с шаговым двигателем.

Во всех статьях о шаговых двигателях я не уставал повторять, что шаговый двигатель объединяет в себе электропривод и позиционирующее устройство без обратной связи. В этом уроке я хочу продемонстрировать использование шагового двигателя в следящем электроприводе.

В уроке я разработал две следящие системы с шаговым двигателем в качестве электропривода.

  • Одна использует драйвер на базе платы Ардуино из предыдущего урока и управляется от компьютера.
  • Второй следящий электропривод представляет собой автономное устройство, в котором положение вала двигателя задается переменным резистором.

Вы увидите, как просто реализуются такие системы на базе шагового двигателя. Но сначала я расскажу о том, что такое следящий электропривод и как он создается по традиционной схеме.

Следящий электропривод.

Это очень сложная тема, включающая несколько технических дисциплин, таких как электрические машины, теория автоматического управления, электроника и многие другие. Я затрону только самые общие понятия.

Следящий электропривод – это электрический привод, реализующий изменение положения исполнительного механизма (нагрузки) в соответствии с задающим сигналом, который может произвольно меняться во времени.

Проще говоря, маломощный входной сигнал на входе следящего электропривода управляет с определенной точностью мощной механической нагрузкой. Мы двигаем на экране компьютера изображение стрелки или крутим ручку переменного резистора, а поворачивается вал мощного двигателя.

В общем случае структурная схема следящей системы электропривода выглядит так.

С валом двигателя механически связан датчик положения ротора. Датчик преобразует угол положения вала в физическую величину, с которой работает регулятор. Это может быть напряжение для аналогового регулятора или цифровой код для вычислительных систем. Далее измеренный угол сравнивается с заданным, вычисляется ошибка рассогласования. Ошибка поступает на регулятор, который вырабатывает сигналы питания двигателя, стремясь скомпенсировать разницу между заданным и реальным углами. В качестве привода могут быть использованы самые разные типы двигателей, от низковольтного коллекторного, до мощного асинхронного.

Схема состоит из трех прямоугольников, но на самом деле следящий электропривод это очень сложная система. Требуется достаточно точный датчик угла. Работа регулятора осложняется инерционностью двигателя и нагрузки. Крайне неприятно работать на нелинейную нагрузку. Такие системы строятся по принципу пропорционально интегрально дифференциальных регуляторов. Часто используются адаптивные регуляторы.

Принцип реализации следящего электропривода на шаговом двигателе.

Намного проще реализовать следящий электропривод на шаговом двигателе. Главная особенность шагового двигателя состоит в том, что положение ротора всегда можно вычислить, подсчитав количество сделанных шагов.

Следящий электропривод считает сделанные шаги и таким образом определяет текущее положение ротора. Когда изменяется заданное значение положения вала, система вычисляет разницу между реальным и заданным углами, и делает необходимое количество шагов, чтобы скомпенсировать ошибку рассогласования. Никаких обратных связей, нет необходимости в датчике положения ротора.

К достоинствам следящего привода на базе шагового двигателя следует отнести:

  • простота реализации;
  • отсутствие датчика положения ротора;
  • не бывает перерегулирования, колебательных процессов.
  • необходимость начальной синхронизации реального положения ротора и значения положения ротора в контроллере системы;
  • при выходе из синхронизации шагового двигателя система будет работать с ошибкой, которую можно скомпенсировать только повторной синхронизацией.

Следящий электропривод с управлением от компьютера.

Для реализации этого устройства я использовал драйвер шагового двигателя из предыдущего урока. Такая же схема подключения двигателя к плате Ардуино, та же резидентная программа драйвера с управлением от компьютера по протоколу AT команд.

Весь алгоритм управления реализован в программе верхнего уровня на компьютере.

  • Программа хранит текущее положение ротора двигателя.
  • При изменении заданного значения угла, она вычисляет количество шагов, которое двигатель должен сделать для компенсации ошибки. Затем посылает драйверу AT команду сделать необходимое количество шагов.
  • С помощью AT команды чтения оставшихся шагов программа ждет остановки двигателя и, при необходимости, формирует следующую команду вращения ротора.
  • Положение вала двигателя отображается на мониторе компьютера.

Программу я назвал Tracker. Загрузить ее можно по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Варианты подключения, первый запуск, установка номера порта абсолютно такие же, как в программе Thermometer (Урок 24). Для проверки удобнее использовать виртуальный порт, который создает драйвер Ардуино при подключении платы к компьютеру. Запускать программу Arduino IDE для этого не надо.

Еще раз повторю, что схема подключения двигателя и скетч программы для платы Ардуино можно взять из предыдущего урока. Собственно мы используем разработанное в предыдущем уроке устройство – интеллектуальный драйвер шагового двигателя. Следящий электропривод это один из примеров применения драйвера.

У меня собранное устройство выглядит так.

Прищепка выполняет роль стрелки положения вала двигателя.

Окно программы Tracker выглядит так.

Часть графических элементов управления аналогичны компонентам программы StepMotor из предыдущего урока.

  • Панель ”Скорость” позволяет задать скорость вращения.
  • С помощью панели “Режим” можно задать режим коммутации фаз и остановки двигателя.
  • Панель “Шаги” позволяет сделать произвольное количество шагов.

Надо только помнить, что данные с этих трех панелей передается в драйвер нажатием кнопок ”–>” рядом с соответствующими панелями.

  • Через панель “Параметры двигателя” можно задать число шагов двигателя на полный оборот и период коммутации фаз в программе драйвера (в моей программе 250 мкс).
  • Светодиод ”Обмен” сигнализирует о состоянии связи компьютера с драйвером. В нормальном режиме должен светиться зеленым.
  • Кнопки “– 1 шаг” и “+ 1 шаг” позволяют сделать по одному шагу по часовой и против часовой стрелки.

В программе появились новые элементы для управления следящим приводом.

Прежде всего, это шкала угла положения вала двигателя. На ней два указателя:

  • Заданного угла – треугольник зеленого цвета;
  • Реального угла – треугольник красного цвета.

За указателем реального угла следует паук в центре шкалы. Люблю я насекомых. Этим летом ксилокопу поймал. Хотел ее использовать в программе, но чтобы сэкономить время взял изображение паука из старой программы. Кстати из программы следящей системы на базе мощного индукторного двигателя.

Указатель заданного угла можно двигать мышью, меняя заданный угол. Ниже шкалы есть числовые показатели заданного и реального углов, а также соответствующие им шаги двигателя.

Активная птичка ”Слежение” означает, что при перемещении указателя заданного угла двигатель оперативно (в реальном времени) отрабатывает положение. Т.е. вал реального двигателя следует за зеленым указателем.

Если птички ”Слежение” нет, то заданное значение отслеживается только по нажатию кнопки ”Пуск”.

Кнопка “Синхронизация” устанавливает оба указателя в нулевое положение. Используется для задания начального положения двигателя.

Я снял короткий фильм о работе следящего привода.

Как я не крутил двигатель нулевой угол на шкале программы соответствовал одному и тому же положению вала реального двигателя. Только надо учитывать, что это правило строго выполняется в режиме фиксации ротора при остановке двигателя, особенно в полу шаговом и между шаговом режимах коммутации. В режиме выключения фаз при остановке положение вала двигателя может измениться из-за механической нагрузки или инерции.

Только надо помнить, что в режиме фиксации ротора при остановке через драйверы всегда течет ток. На транзисторы драйвера должны быть установлены радиаторы. Иначе они могут перегреться и сгореть.

Ардуино проект следящего электропривода с управлением от переменного резистора.

Второй вариант следящего электропривода без обратной связи я решил реализовать как автономное устройство, в котором заданный угол устанавливается переменным резистором.

К плате Ардуино подключен драйвер униполярного шагового двигателя по схеме из предыдущего урока. Впрочем, можно использовать любую другую схему для униполярного или биполярного шагового двигателя.

К аналоговому входу A0 платы подключен переменный резистор по этой схеме.

У меня собранное устройство выглядит так.

Следящий привод должен поворачивать вал двигателя вслед за перемещением вала резистора. Управляет следящей системой программа платы Ардуино.

Резидентная программа следящего электропривода на Ардуино.

Скетч программы можно загрузить по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Надеюсь, у Вас уже установлены библиотеки TimerOne.h и StepMotor.h.

Скетч программы небольшой.

// программа следящего электропривода без обратной связи

#include
#include

#define MEASURE_PERIOD 80 // время периода измерения (* 250 мкс)
#define numStepsMotor 400 // число шагов двигателя на оборот

int timeCount; // счетчик времени
long sumU; // переменные для суммирования кодов АЦП
long averageU; // сумма кодов АЦП (среднее значение * 80)
int currentStep; // текущее положение двигателя
int setStep; // заданное положение двигателя

StepMotor myMotor(10, 11, 12, 13); // создаем объект типа StepMotor, задаем выводы для фаз

void setup() <
Timer1.initialize(250); // инициализация таймера 1, период 250 мкс
Timer1.attachInterrupt(timerInterrupt, 250); // обработчик прерываний
myMotor.setMode(0, false); // шаговый режим, без фиксации при остановке
myMotor.setDivider(15); // делитель частоты 15
>

void loop() <
// проверка остановки двигателя
if( myMotor.readSteps() == 0) <
// двигатель остановился

// вычисление заданного положения
setStep = averageU * (numStepsMotor – 1) / 1023 / MEASURE_PERIOD;

// определение сколько шагов надо сделать
int stepsToDo; // сколько шагов надо сделать

stepsToDo = currentStep – setStep; // ошибка рассогласования

if( abs(stepsToDo) >= (numStepsMotor / 2) ) <

if((stepsToDo) > 0) stepsToDo -= numStepsMotor;
else stepsToDo += numStepsMotor;
>

myMotor.step(stepsToDo); // запуск двигателя
currentStep = setStep; // перегрузка текущего положения
>
>

// ————————————– обработчик прерывания 250 мкс
void timerInterrupt() <
myMotor.control(); // управвление двигателем

sumU += analogRead(A0); // суммирование кодов АЦП
timeCount++; // +1 счетчик выборок усреднения

// проверка числа выборок усреднения
if ( timeCount >= MEASURE_PERIOD ) <
timeCount= 0;
averageU= sumU; // перегрузка среднего значения
sumU= 0;
>
>

В программе измеряется и усредняется значение напряжения на аналоговом входе A0. Этот блок описан в уроке 13.

При остановленном двигателе проверяется, есть ли разница между заданным и реальным углами положения ротора. При необходимости вызывается функция step() для поворота вала двигателя.

Вот короткий фильм о работе устройства.

У моего двигателя 400 шагов на оборот. Если Вы используете другой привод, то надо изменить строку

#define numStepsMotor 400 // число шагов двигателя на оборот

Двигатель работает в шаговом режиме без фиксации ротора при остановке. Режим задан в блоке setup, его легко можно изменить. В полу шаговом режиме число шагов двигателя надо задать в два раза большим. В моем случае:

#define numStepsMotor 800 // число шагов двигателя на оборот

В некоторых положениях переменного резистора значение АЦП дергается на одну единицу. Обычное для преобразования аналогового сигнала явление. Шаговый двигатель отрабатывает это изменение заданного угла, что выражается в подергивании вала. Я не стал компенсировать этот эффект, потому что программа больше демонстрационная.

В этом уроке я хотел показать главное преимущество шагового двигателя – возможность позиционирования без обратной связи. Надеюсь, Вы оценили простоту создания следящих систем по такому принципу.

Вот ссылка на реальный проект следящей системы, реализованный таким образом. К плате Arduino Nano подключены два двигателя, которые отслеживают положение по данным, заданным с интерфейса DMX.

В следующем уроке будем подключать к Ардуино биполярный шаговый двигатель. Все программы из предыдущих уроков должны работать без изменений и с биполярным приводом.

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Читайте также:  Шины Hankook: 3 лучших зимних модели
Ссылка на основную публикацию