Тот самый мотор, что двигал каретку принтера и лазерный блок CD-привода в главах 19–20 — теперь разберём, как он на самом деле работает и почему именно эта конструкция так удобна для точного позиционирования без обратной связи.
В отличие от обычного электродвигателя (глава про электродвигатели из курса электрики, если ты его проходил), шаговый двигатель не вращается плавно от постоянного напряжения — он поворачивается ровно на фиксированный угол за каждый управляющий импульс, и остаётся неподвижным между импульсами, надёжно удерживая позицию за счёт магнитного взаимодействия статора и ротора. Зная число посланных импульсов, можно знать точный угол поворота вала — без датчика положения вообще, если ни один шаг не был "потерян" (об этом ниже).
Ротор — постоянный магнит (или, в самом распространённом гибридном исполнении, комбинация постоянного магнита и зубчатой структуры, дающей более мелкий шаг). Статор — несколько групп обмоток (фаз), расположенных вокруг ротора. Поочерёдная подача тока на разные фазы в определённой последовательности создаёт вращающееся магнитное поле, которое "тянет" ротор от одного устойчивого положения к следующему — каждый переход и есть один шаг.
Самые распространённые значения — 1.8° (200 шагов на полный оборот) и 0.9° (400 шагов на оборот). Направление вращения определяется порядком, в котором фазы включаются — обратный порядок переключения фаз даёт вращение в обратную сторону.
Вместо полного включения/выключения фаз можно подавать на обмотки пропорциональный, плавно меняющийся ток — это позволяет остановить ротор в промежуточном положении между полными шагами (микрошаг), заметно сглаживая движение и снижая вибрацию на низкой скорости.
Микрошаг улучшает плавность движения гораздо сильнее, чем реальную точность позиционирования — в промежуточном микрошаговом положении ротор удерживается более слабым магнитным "притяжением" к этой конкретной точке, чем в полношаговом положении, и реальная позиция под нагрузкой может немного отличаться от идеальной расчётной точки. Микрошаг — инструмент плавности и снижения резонанса/шума, а не прямой способ повысить фундаментальную механическую точность позиционирования сверх того, что способен физически дать сам двигатель.
У шагового двигателя доступный крутящий момент максимален на низкой скорости и заметно падает с ростом скорости вращения — свойство, отличающее его от многих обычных электродвигателей. Если попытаться разогнать двигатель быстрее, чем позволяет нагрузка при данном моменте, происходит потеря синхронизации (потеря шагов) — ротор перестаёт успевать за переключением фаз, "проскакивает" мимо расчётной позиции, и без внешнего датчика положения система утрачивает знание о том, где реально находится вал — прямое практическое ограничение открытой (без обратной связи) системы управления.
| Тип | Выводы | Особенности |
|---|---|---|
| Биполярный | 4 провода (две независимые обмотки) | Требует драйвера с мостовой схемой (H-мост) для смены направления тока в каждой обмотке, но эффективнее использует обмотку — выше момент при том же размере двигателя |
| Униполярный | 5–6 проводов (обмотки со средней точкой) | Проще схема управления (не нужен полный H-мост), но ниже эффективность использования обмотки — часто встречается в старых донорских устройствах вроде принтеров из главы 19 |
Мультиметром в режиме измерения сопротивления прозвони все пары проводов — выводы одной обмотки покажут конечное ненулевое сопротивление (обычно единицы-десятки Ом), выводы разных обмоток между собой — разрыв (бесконечное сопротивление). Так можно сгруппировать провода неизвестного шагового двигателя из донорского устройства даже без документации на конкретную модель.
Здесь всё, разобранное в предыдущих блоках книги, соединяется напрямую с шаговым двигателем. Пример: двигатель с шагом 1.8° (200 шагов/оборот) вращает ходовой винт с ходом 2 мм за оборот (глава 17). Линейное перемещение на один шаг двигателя:
Перемещение за один шаг = ход винта / число шагов на оборот = 2 мм / 200 = 0.01 мм на шаг. Это тот самый расчёт, который определяет реальную точность позиционирования оси станка или 3D-принтера — прямое произведение параметров двигателя (глава 22) и кинематики передачи (глава 17 или, при использовании зубчато-реечной передачи, глава 18 — расчёт был бы аналогичным, но через длину окружности шестерни вместо хода винта).
Следующая глава — сервопривод: другой подход к точному управлению положением, где вместо подсчёта шагов используется прямая обратная связь по реальному положению вала — решение именно той проблемы "потери шагов", которая была честно обозначена в этой главе.
Книга бесплатна для чтения. Автор — Тариел Бежанидзе, компьютерный мастер в Батуми · tariel.ge · все бесплатные книги. Копировать текст целиком на другие сайты — только со ссылкой на источник.