Применение шаговых двигателей в самоделках. Шаговый двигатель своими руками, принцип работы, схема подключения. Цена разочарования или дорогой флюгер

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.

В качестве генератора на ветряк подойдет шаговый двигатель (ШД) для принтера. Даже при небольшой скорости вращения он вырабатывает мощность около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, что дает возможность заряжать небольшой аккумулятор.

Принципы использования

Характерная для российского климата турбулентность ветра в приземных слоях приводит к постоянным изменениям его направления и интенсивности. Ветрогенераторы больших размеров, мощность которых превышает 1 Квт будут инерционными. В результате они не успеют полностью раскрутиться при смене направления ветра. Этому также мешает момент инерции в плоскости вращения. Когда боковой ветер действует на работающий ветряк, он испытывает огромные нагрузки, которые могут привести к его быстрому выходу из строя.

Целесообразно применять ветрогенератор малой мощности, изготовленный своими руками, имеющий незначительную инерционность. С их помощью можно заряжать маломощные аккумуляторы мобильных телефонов или использовать для освещения дачи светодиодами.

В дальнейшем лучше ориентироваться на потребителей, нетребующих преобразования вырабатываемой энергии, например, для подогрева воды. Нескольких десятков ватт энергии вполне может хватить для поддерживания температуры горячей воды или для дополнительного подогрева системы отопления, чтобы она не перемерзала зимой.

Электрическая часть

Генератором в ветряк можно устанавливать шаговый двигатель (ШД) для принтера.

Даже при небольшой скорости вращения он вырабатывает мощность около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, что дает возможность заряжать небольшой аккумулятор. Остальные генераторы эффективно работают при скорости вращения более 1000 об./мин, но они не подойдут, поскольку ветряк вращается со скоростью 200-300 об./мин. Здесь необходим редуктор, но он создает дополнительное сопротивление и к тому же имеет высокую стоимость.

В генераторном режиме у шагового двигателя вырабатывается переменный ток, который легко преобразовать в постоянный, используя пару диодных мостов и конденсаторы. Схему легко собрать своими руками.

Установив за мостами стабилизатор, получим постоянное выходное напряжение. Для визуального контроля можно еще подключить светодиод. Чтобы уменьшить потери напряжения для его выпрямления применяются диоды Шоттки.

В дальнейшем можно будет создать ветряк с более мощным ШД. Такой ветрогенератор будет обладать большим моментом трогания. Проблему можно устранить, отключая нагрузку во время пуска и при малых оборотах.

Как сделать ветрогенератор

Лопасти можно изготовить своими руками из трубы ПВХ. Нужная кривизна подбирается, если взять ее с определенным диаметром. Заготовку лопасти рисуют на трубе, а затем вырезают отрезным диском. Размах винта составляет около 50 см, а ширина лопастей - 10 см. После следует выточить втулку с фланцем под размер вала ШД.

Она насаживается на вал двигателя и крепится дополнительно винтами, а к фланцам крепятся пластиковые лопасти. На фото изображено две лопасти, но можно сделать четыре, прикрутив еще две аналогичные под углом 90º. Для большей жесткости под головки винтов следует установить общую пластину. Она плотней прижмет лопасти к фланцу.

Изделия из пластика долго не служат. Продолжительный ветер со скоростью более 20 м/с такие лопасти не выдержат.

Генератор вставляется в кусок трубы, к которому он крепится болтами.

К трубе с торца крепится флюгер, представляющий собой ажурную и легкую конструкцию из дюралюминия. Ветрогенератор держится на приваренной вертикальной оси, которая вставляется в трубу мачты с возможностью вращения. Под фланец можно установить упорный подшипник или полимерные шайбы, снижающие трение.

У большей части конструкций ветряк содержит выпрямитель, который крепится к подвижной части. Это делать нецелесообразно из-за увеличения инерционности. Электрическую плату вполне можно разместить внизу, а к ней вывести вниз провода от генератора. Обычно с шагового двигателя выходит до 6 проводов, соответствующих двум катушкам. Для них нужны токосъемные кольца для передачи электроэнергии от подвижной части. На них довольно сложно установить щетки. Механизм токосъема может оказаться сложней, чем сам ветрогенератор. Еще было бы лучше разместить ветряк так, чтобы вал генератора располагался вертикально. Тогда провода не будут заплетаться вокруг мачты. Такие ветрогенераторы сложней, но зато уменьшается инерционность. Коническая передача здесь будет в самый раз. При этом можно увеличить обороты вала генератора, подобрав необходимые шестерни своими руками.

Закрепив ветряк на высоте 5-8 м, можно начинать проводить испытания и собирать данные о его возможностях, чтобы в дальнейшем установить более совершенную конструкцию.

В настоящее время становятся популярными вертикально-осевые ветрогенераторы.

Некоторые конструкции хорошо выдерживают даже ураганы. Хорошо себя зарекомендовали комбинированные конструкции, работающие при любом ветре.

Заключение

Маломощный ветрогенератор надежно работает из-за малой инерционности. Его легко изготавливают в домашних условиях и используют преимущественно для подзарядки небольших аккумуляторов. Он может пригодиться в загородном доме, на даче, в походе, когда возникают проблемы с электричеством.

Tigrezno

Ниже предоставлена инструкция, с помощью которой вы сможете «переработать» старый сканер в впечатляющий генератор электричества.

Нам понадобятся:

• Старый сканер;
• Выпрямляющие диоды (в проекте использовано 8 диодов 1N4007);
• Конденсатор 1000 мкФ;
• Труба ПВХ;
• Пластиковые детали (см. ниже);
• Алюминиевые пластины (можно использовать любые другие).

Помимо флуоресцентной трубы и электронных компонентов, в сканере есть шаговый двигатель, именно он нам и понадобится. На фото показан четырехфазный шаговый двигатель.

Заметка 3. Было использовано свободное ПО для разработки схемы http://qucs.sourceforge.net/.

Собираем лопасти. Более подробно .

К сожалению схемы устройства нет, однако собрать похожее по фотографии не так уж и сложно.

Конец! Теперь осталось дождаться ветряного дня и опробовать устройство, как видно на фотографии - устройство стабильно генерирует напряжение 4.95 В. Теперь вы можете бесплатно заряжать МР3 плеер или телефон!

• Вот. Отлично человек сказал. Вопрос же не в "сказочном КПД": энергия все равно даровая. Планета не обеднеет от таких Кулибиных. Вопрос в трудозатратах и стоимости всего применяемого. Вопрос весьма спорный: вертикалка жутких габаритов, или горизонталка, но поворачиваемоя. Вот это - тема для споров (а лучше, если их кто-то погасит практическим опытом и поделится).
• привет всем. у меня чуть посложнее. освещение двора светодиодными фонариками (5шт. по 7 светодиодов). аккумулятор стоит 7.2 вольта 700 ма. собирал по схеме удвоения напряжения.:).
• ветер средний, незнаю чем замерить... немного перестал, да и неповетру стоит.
• а вот "головка". (убрал мультипликатор, залипания намного с ним сельнее а разница минимальная, да и не шумит). вертикальный у меня вообше нешумит и светит уже 1.5 года без аккумулятора (тоже ШД).
• mba1 прав, и у вертикалок более 200 об/мин под большим сомнением.
• Лопасти мне кажется у Вас большие для такого движка. Подогнать размер под мощность, глядишь совсем правильный ветрячок будет. Не замеряли параметры?
• Лопасти сделал поуже и укоротил, диаметр примерно 1.1м, обороты повысились, да и крутится когда ветра и нечувствуешь. фанарей уже 6:). вот видео - http://depositfiles.com/files/18bs0ha7b
• параметры уже непомню, при среднем ветре около 8 вольт, ма -хз, сейчас лезть туда неочень хочеться, да и голова другим забита, неодимовые магнитики жду(24шт), на днях придут:), буду генератор мастерить:).
• Если нужен шаговый двигатель то тогда не из сканера, а из принтера, в матричьнеке их два, даже при обслуживание при быстром перемещение головки свето диоды начинали светится. Думаю начать не с серьезной поделки, а взять для начала движек от жигулевской печьки, или моторчик от стекло очистителя в гараже валяется.
• Есть коллекторные движки (например, ДП..., ДПМ...) с центробежным ограничителем оборотов. Может, есть идеи, как это приспособить для обратной задачи в генераторе? Мне так сходу как-то и не соображается...
• А изШД3-ШД5 кто то может мутил?
• Или с моторами от авио моделей-размеры маленькие мощность большая?
• http://vkontakte.ru/club11998700 - ТАМ ЕСТЬ И ФОТО И ВИДЕО шд, неодимовые, ссылки....
• А параметры у движков какие? вольт на катушку? ампераж? сколько катушек (выводов?) и какой градус поворота?
• шд желательно подбирать - меньше сопротивление обмотки, большее рабочее напряжение, тогда на шаг приличьно импульс будет давать:)
• Если меньше сопротивление при большем напряжении - значит, мощность больше. Так что можно подбирать по РАЗМЕРУ:)
• http://www.youtube.com/watch?v=7WgS4kxobI0&feature=channel_video_title
• Это моё видео.
• Кто знает,любой ШД можно использовать как генератор?Если купить помощнее чем в принторе.
• Использовать мощный ШД в качестве генератора затруднительно. Причина в большом моменте трогания.

Валялся у меня шаговый двигатель и, решил я его попробовать использовать в качестве генератора. Двигатель был снят со старого матричного принтера, надписи на нем следующие: EPM-142 EPM-4260 7410. Двигатель попался униполярный, это означает что у этого двигателя 2 обмотки с отводом от середины, сопротивление обмоток составило 2х6ом.

Для теста нужен другой двигатель, чтобы раскрутить шаговый. Конструкция и крепление двигателей показаны на рисунках ниже:

Ролик от двигателя у меня потерялся, по этому я надел пасту...

Плавно запускаем двигатель, чтобы резинка не слетела. Надо сказать что на высоких оборотах она все же слетает, по этому напряжение выше 6 вольт не поднимал.

Подключаем вольтметр и начинаем тестировать, для начала меряем напряжение.

Выставляем напряжение на БП около 6 вольт, при этом двигатель потребляет 0.2 Ампер, для сравнения на холостом ходу движок кушал 0.09А

Думаю ничего объяснять не нужно и все понятно по фотографии ниже. Напряжение составило 16 вольт, обороты раскручивающего двигатели не большие, думаю если сильнее раскрутить то, можно и все 20 вольт выжать...

Подключаем через диодный мост (и конденсатор не забываем, иначе можно спалить светодиоды) ленту со сверхяркими светодиодами, мощность которого 0.5 ватт.

Выставляем напряжение чуть меньше 5 вольт, так, чтобы шаговый двигатель после моста выдавал около 12 вольт.

Светит! Напряжение при этом с 12 вольт просело до 8 и двигатель стал раскручивать чуть медленнее. Ток КЗ без светодиодной ленты составил 0.08А - напомню, что раскручивающий двигатель работал НЕ на полную мощность, и не забываем про вторую обмотку шагового двигателя, просто параллелить их нельзя, а собирать схему мне не хотелось.

Думаю, из шагового двигателя можно изготовить неплохой генератор, прицепить его на велосипед, или сделать на его основе ветрогенератор.