Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор. Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер ориентировал устройство по направлению ветра.

Мне захотелось реализовать подобную конструкцию, пусть и не способную вырабатывать мощность, достаточную для обеспечения “серьезных” потребителей, но все-таки работающую и, например, заряжающую аккумуляторы или питающую светодиоды.

Одним из наиболее эффективных вариантов небольшого самодельного ветроэлектрогенератора является использование шагового двигателя (ШД) (англ. stepping (stepper, step) motor ) – в таком моторе вращение вала состоит из небольших шагов. Обмотки шагового двигателя объединены в фазы. При подаче тока в одну из фаз происходит перемещение вала на один шаг.

Эти двигатели являются низкооборотными и генератор с таким двигателем может быть без редуктора подключен к ветряной турбине, двигателю Стирлинга или другому низкооборотному источнику мощности. При использовании в качестве генератора обычного (коллекторного) двигателя постоянного тока для достижения таких же результатов потребовалась бы в 10-15 раз более высокая частота вращения.

Особенностью шаговика является достаточно высокий момент трогания (даже без подключенной к генератору электрической нагрузки), достигающий 40 грамм силы на сантиметр.

Коэффициент полезного действия генератора с ШД достигает 40 %.

Для проверки работоспособности шагового двигателя можно подключить, например, красный светодиод. Вращая вал двигателя, можно наблюдать свечение светодиода. Полярность подключения светодиода не имеет значения, так как двигатель вырабатывает переменный ток.

Кладезем таких достаточно мощных двигателей являются пятидюймовые дисководы гибких дисков, а также старые принтеры и сканеры.

Например, я располагаю ШД из старого 5.25″ дисковода, работавшего еще в составе ZX Spectrum – совместимого компьютера “Байт”.

Такой дисковод содержит две обмотки, от концов и середины которых сделаны выводы – итого из двигателя выведено шесть проводов:

первая обмотка (англ. coil 1 ) – синий (англ. blue ) и желтый (англ. yellow );

вторая обмотка (англ. coil 2 ) – красный (англ. red ) и белый (англ. white );

коричневые (англ. brown ) провода – выводы от средних точек каждой обмотки (англ. center taps ).

разобранный шаговый мотор

Слева виден ротор двигателя, на котором видны “полосатые” магнитные полюсы – северный и южный. Правее видна обмотка статора, состоящая из восьми катушек.

Сопротивление половины обмотки составляет

Я использовал этот двигатель в первоначальной конструкции моего ветрогенератора.

Находящийся в моем распоряжении менее мощный шаговый двигатель T1319635 фирмы Epoch Electronics Corp. из сканера HP Scanjet 2400 имеет пять выводов (униполярный мотор):

первая обмотка (англ. coil 1 ) – оранжевый (англ. orange ) и черный (англ. black );

вторая обмотка (англ. coil 2 ) – коричневый (англ. brown ) и желтый (англ. yellow );

красный (англ. red ) провод – соединенные вместе выводы от средней точки каждой обмотки (англ. center taps ).

Сопротивление половины обмотки составляет 58 Ом, которое указано на корпусе двигателя.

В улучшенном варианте ветрогенератора я использовал шаговый двигатель Robotron SPA 42/100-558 , произведенный в ГДР и рассчитанный на напряжение 12 В:

Возможны два варианта расположения оси крыльчатки (турбины) ветрогенератора – горизонтальное и вертикальное.

Преимуществом горизонтального (наиболее популярного) расположения оси, располагающейся по направлению ветра, является более эффективное использование энергии ветра, недостаток – усложнение конструкции.

Я выбрал вертикальное расположение оси – VAWT (vertical axis wind turbine ), что существенно упрощает конструкцию и не требует ориентации по ветру . Такой вариант более пригоден для монтирования на крышу, он намного эффективнее в условиях быстрого и частого изменения направления ветра.

Я использовал тип ветротурбины, называемый ветротурбина Савониуса (англ. Savonius wind turbine ). Она была изобретена в 1922 году Сигурдом Йоханнесом Савониусом (Sigurd Johannes Savonius ) из Финляндии.

Сигурд Йоханнес Савониус

Работа ветротурбины Савониуса основана на том, что сопротивление (англ. drag ) набегающему потоку воздуха – ветру вогнутой поверхности цилиндра (лопасти) больше, чем выпуклой.

Коэффициенты аэродинамического сопротивления (англ. drag coefficients) $C_D$

вогнутая половина цилиндра (1) – 2,30

выпуклая половина цилиндра (2) – 1,20

плоская квадратная пластина – 1,17

вогнутая полая полусфера (3) – 1,42

выпуклая полая полусфера (4) – 0,38

Указанные значения приведены для чисел Рейнольдса (англ. Reynolds numbers ) в диапазоне $10^4 – 10^6$. Число Рейнольдса характеризует поведение тела в среде.

Сила сопротивления тела воздушному потоку $ = <<1 \over 2> S \rho > $, где $\rho$ – плотность воздуха, $v$ – скорость воздушного потока, $S$ – площадь сечения тела.

Такая ветротурбина вращается в одну и ту же сторону, независимо от направления ветра:

Подобный принцип работы используется в чашечном анемометре (англ. cup anemometer) – приборе для измерения скорости ветра:

Такой анемометр был изобретен в 1846 году ирландским астрономом Джоном Томасом Ромни Робинсоном (John Thomas Romney Robinson ):

Робинсон полагал, что чашки в его четырехчашечном анемометре перемещаются со скоростью, равной одной трети скорости ветра. В реальности это значение колеблется от двух до немногим более трех.

В настоящее время для измерения скорости ветра используются трехчашечные анемометры, разработанные канадским метеорологом Джоном Паттерсоном (John Patterson ) в 1926 году:

Генераторы на коллекторных двигателях постоянного тока с вертикальной микротурбиной продаются на eBay по цене около $5:

Такая турбина содержит четыре лопасти, расположенные вдоль двух перпендикулярных осей, с диаметром крыльчатки 100 мм, высотой лопасти 60 мм, длиной хорды 30 мм и высотой сегмента 11 мм. Крыльчатка насажена на вал коллекторного микродвигателя постоянного тока с маркировкой JQ24-125p70 . Номинальное напряжение питания такого двигателя составляет 3 . 12 В.

Энергии, вырабатываемой таким генератором, хватает для свечения “белого” светодиода.

Скорость вращения ветротурбины Савониуса не может превышать скорость ветра , но при этом такая конструкция характеризуется высоким крутящим моментом (англ. torque ).

Эффективность ветротурбины можно оценить, сравнив вырабатываемую ветрогенератором мощность с мощностью, заключенной в ветре, обдувающем турбину:

$P = <1\over 2>\rho S $ , где $\rho$ – плотность воздуха (около 1,225 кг/м 3 на уровне моря), $S$ – ометаемая площадь турбины (англ. swept area ), $v$ – скорость ветра.

Первоначально в крыльчатке моего генератора использованы четыре лопасти в виде сегментов (половинок) цилиндров, вырезанных из пластиковых труб :

длина сегмента – 14 см;

высота сегмента – 2 см;

длина хорды сегмента – 4 см;

Я установил собранную конструкцию на достаточно высокой (6 м 70 см) деревянной мачте из бруса, прикрепленную саморезами к металлическому каркасу:

Недостатком генератора была достаточно высокая скорость ветра, требуемая для раскрутки лопастей. Для увеличения площади поверхности я использовал лопасти, вырезанные из пластиковых бутылок :

длина сегмента – 18 см;

высота сегмента – 5 см;

длина хорды сегмента – 7 см;

расстояние от начала сегмента до центра оси вращения – 3 см.

Проблемой оказалась прочность держателей лопастей. Сначала я использовал перфорированные алюминиевые планки от советского детского конструктора толщиной 1 мм. Через несколько суток эксплуатации сильные порывы ветра привели к излому планок (1). После этой неудачи я решил вырезать держатели лопастей из фольгированного текстолита (2) толщиной 1,8 мм:

Прочность текстолита на изгиб перпендикулярно пластине составляет 204 МПа и сравним с прочностью на изгиб алюминия – 275 МПа. Но модуль упругости алюминия $E$ (70000 МПа) намного больше, чем у текстолита (10000 МПа), т.е. тексолит намного эластичнее алюминия. Это, по моему мнению, с учетом большей толщины текстолитовых держателей, обеспечит гораздо большую надежность крепления лопастей ветрогенератора.

Ветрогенератор смонтирован на мачте:

Опытная эксплуатация нового варианта ветрогенератора показала его надежность даже при сильных порывах ветра.

Недостатком турбины Савониуса является невысокая эффективность – только около 15 % энергии ветра преобразуется в энергию вращения вала (это намного меньше, чем может быть достигнуто с ветротурбиной Дарье (англ. Darrieus wind turbine )), использующей подъемную силу (англ. lift ). Этот вид ветротурбины был изобретен французским авиаконструктором Жоржем Дарье (Georges Jean Marie Darrieus) – патент США от 1931 года № 1,835,018.

Недостатком турбины Дарье является то, что у нее очень плохой самозапуск (для выработки крутящего момента от ветра турбины уже должна быть раскручена).

Преобразование электроэнергии, вырабатываемой шаговым двигателем

Выводы шагового двигателя могут быть подключены к двум мостовым выпрямителям, собранным из диодов Шоттки для снижения падения напряжения на диодах.

Можно применить популярные диоды Шоттки 1N5817 с максимальным обратным напряжением 20 В, 1N5819 – 40 В и максимальным прямым средним выпрямленным током 1 А. Я соединил выходы выпрямителей последовательно с целью увеличения выходного напряжения.

Также можно использовать два выпрямителя со средней точкой. Такой выпрямитель требует в два раза меньше диодов, но при этом и выходное напряжение снижается в два раза.

Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью емкостного фильтра – конденсатора 1000 мкФ на 25 В. Для защиты от повышенного генерируемого напряжения параллельно конденсатору включен стабилитрон на 25 В.

схема моего ветрогенератора

электронный блок моего ветрогенератора

В ветреную погоду напряжение холостого хода на выходе электронного блока ветрогенератора достигает 10 В, а ток короткого замыкания – 10 мА.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К JOULE THIEF

Затем сглаженное напряжение с конденсатора может подаваться на Joule Thief – низковольтный DC-DC преобразователь. Я собрал такой преобразователь на базе германиевого pnp -транзистора ГТ308В (VT ) и импульсного трансформатора МИТ-4В (катушка L1 – выводы 2-3, L2 – выводы 5-6) :

Значение сопротивления резистора R подбирается экспериментально (в зависимости от типа транзистора) – целесообразно использовать переменный резистор на 4,7 кОм и постепенно уменьшать его сопротивление, добиваясь стабильной работы преобразователя.

мой преобразователь Joule Thief

ЗАРЯД ИОНИСТОРОВ (СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ)

Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor ) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Ионистор – неполярный элемент, но один из выводов может быть помечен “стрелкой” – для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

Для первоначальных исследований я использовал ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В (диаметр 11,5 мм, высота 3,5 мм):

Я подключил его через диод к выходу Joule Thief через германиевый диод Д310.

Для ограничения максимального напряжения зарядки ионистора можно использовать стабилитрон или цепочку светодиодов – я использую цепочку из двух красных светодиодов:

Для предотвращения разряда уже заряженного ионистора через ограничительные светодиоды HL1 и HL2 я добавил еще один диод – VD2 .

Мой самодельный ветрогенератор на шаговом двигателе, Мои увлекательные и опасные эксперименты

Мой самодельный ветрогенератор на шаговом двигателе Проезжая на велосипеде мимо дачных участков, я увидел работающий ветрогенератор. Большие лопасти медленно, но верно вращались, флюгер

Шаговый двигатель в качестве генератора?

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:

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.

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.

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.

Шаговый двигатель в качестве генератора? Меандр - занимательная электроника

Шаговый двигатель в качестве генератора? Валялся у меня шаговый двигатель и, решил я его попробовать использовать в качестве генератора. Двигатель был снят со старого матричного принтера, надписи

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 ;
• 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

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

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.

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же , 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°.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

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).

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.

Полезное видео

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

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

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

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

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

Вот ещё один вариант с двигателем поменьше.

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

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

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

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

Пришла в голову простая, очевидная, но гениальная мысль. Ведь если учесть, что шаговый двигатель является не только моторчиком, который обеспечивает механическую работу абсолютно разных устройств (начиная от принтеров сканеров и другой офисной аппаратуры, заканчивая различными агрегатами, применяемыми в более серьезных устройствах). Шаговый двигатель так же может послужить отличным генератором электричества!

А его самый главный плюс во всем, это то, что ему вовсе не требуются большие обороты, он вполне может исправно работать и при малых нагрузках. То есть даже при минимальном действии силы направленной на него, шаговый двигатель отлично вырабатывает энергию. Самое главное, что этой энергии вполне хватит на различные нужды, вроде освещения дороги велосипедисту с помощью подключенного к шаговому двигателю фонаря.

К сожалению с обычным генератором стандартному велосипеду будут все же необходимы начальные обороты, до того как фонарик начнет испускать лучи достаточно яркого света для четкого освещения пути. Но при использовании шагового двигателя этот недостаток удаляется сам собой, то есть освещение будет подаваться сразу как только начнется вращение колеса.

Но правда у этой чудо конструкции все же будет ряд недочетов. Например наиболее явный из них, это большое магнитное залипание. Но на самом деле это не так страшно для велосипедиста.

Что приступая к работе нам будет необходимо найти некоторые детали:
1) Собственно сам шаговый двигатель.
2) парочка конденсаторов большой емкости.
3) светодиодные фонари
4) стабилизатор напряжения 5-6 вольт.

Найти шаговый двигатель довольно просто в силу того, что он весьма распространен во всех офисных приборах. Единственное что нужно понимать, это то, что чем больше шаговый двигатель - тем соответственно лучше для нас.

Тут будет описано и представлено несколько моделей шаговых двигателей и различные варианты их крепления к железному коню.
Для начала возьмем самый большой двигатель, что удалось раздобыть автору. Он демонтировал его из обычного офисного плоттера для печати(по сути это принтер, только в несколько раз большего размера).

Внешне двигатель довольно велик.

Но прежде чем приступить к изучению схемы стабилизации так же схемы питания, стоит обратить внимание на методику крепления этого агрегата к велобайку.

Если взгляните на рисунок, то поймете, что генератор расположен ближе к оси колеса и вращение передается от дополнительного круга.

И все же так как модель велосипеда у каждого своя и кто-то не захочет повреждать раму саморезами, вам будет нужно самому разработать крепление а так же круг вращения, вариантов тут действительно много.

Если же вы не представляете себе как прикрутить большой шаговый двигатель к конструкции, есть вариант поменьше:

Вам остается только выбрать вариант генератора, подходящего под размеры вашего транспортного средства.

Чтож когда с шаговыми двигателями разобрались, можно приступить и к фонарям и цепям питания.

Фонари необходимо взять светодиодные. схема выпрямления будет выглядеть так: блок выпрямительных диодов, несколько конденсаторов большой ёмкости и естественно стабилизатор напряжения. В принципе это стандартная схема питания.

Шаговый двигатель стандартно имеет на выходе четыре проводка, которые соответствуют двум катушкам. именно по этой причине на изображении выпрямительных блока тоже два. Этот самодельный генератор электричества вполне может выдавать аж до 50 вольт напряжения на больших оборотах, так что, конденсаторы лучше взять соответственные(напряжение выше 50). Ну а стабилизатор на напряжение 5-6 вольт.

И так в чем же суть самоделки, и почему она понадобилась?

Все дело в его преимуществе, даже только тронувшись с места- вам путь будет уже ярко освещен фонарем, запитанным от нашего шагового двигателя- он же генератор.

Так же хотелось бы отметить, что в процессе движения фонарь не будет мигать или тухнуть- освещение будет плавным и ровным.

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.