Двигатели и приводы

Как выбрать двигатель для устройства и чем им управлять: коллекторный, шаговый или бесколлекторный, какой драйвер нужен каждому и как подключить его к микроконтроллеру.

Шаговые двигателиТипы и обмотки, шаг и микрошаг, чоппер, драйвер A4988
Управление коллекторным двигателемКлюч и диод, ШИМ, H-мост, реверс, торможение, датчики скорости
Драйверы H-мостаУстройство моста, сквозной ток, L298, A4988, потери на ключах

Двигатель превращает электрическую энергию в вращение, а электроника решает, когда и как быстро ему вращаться. В разделе — как устроены двигатели, которые встречаются в электронике, какой драйвер нужен каждому и как подключить его к микроконтроллеру.

Три типа двигателей

	Коллекторный	Шаговый	Бесколлекторный (BLDC)
Как переключаются обмотки	механически: коллектор и щётки	драйвер по командам контроллера	контроллер по датчикам положения ротора
Скорость	пропорциональна напряжению, регулируется ШИМ	задаётся частотой шагов	задаётся контроллером
Положение вала	только с датчиком	известно по числу шагов, пока хватает момента	только с датчиком
Нужен драйвер	ключ, для реверса — H-мост	два H-моста или драйвер с ограничением тока	трёхфазный мост с контроллером
Слабые места	износ щёток, искрение и помехи	момент падает с частотой шагов	сложнее и дороже управление

Коллекторный двигатель (AN905) — самый простой: подал напряжение — крутится, поменял полярность — крутится в другую сторону. Скорость регулируют ШИМ, направление — H-мостом. Щётки и коллектор изнашиваются и искрят.

Шаговый двигатель (AN907) поворачивается на фиксированный шаг по каждому импульсу драйвера и держит вал на месте. Положение известно без датчика, пока нагрузка не превышает момент; скорость ограничена — у большинства двигателей с постоянным магнитом и гибридных до 1000 шагов в секунду.

Бесколлекторный двигатель (AN885) — постоянные магниты на роторе и обмотки на статоре, которые переключает контроллер. Чаще всего у него три обмотки и три датчика Холла, по сигналам которых контроллер в шестиступенчатой коммутации подаёт ток в одну обмотку, выводит из другой и оставляет третью без тока. По сравнению с коллекторным он служит дольше, меньше шумит и создаёт помех, у него выше КПД, но без контроллера он не работает вовсе.

Статьи

Шаговые двигатели — типы и обмотки, полный шаг, полушаг и микрошаг, ограничение тока чоппером, настройка драйвера A4988: ток, микрошаг, тайминги.
Управление коллекторным двигателем — ключ с диодом, ШИМ и её частота, H-мост для реверса, торможение, датчики скорости.
Драйверы H-моста — сквозной ток и мёртвое время, диоды, L298 и мосты на MOSFET, сколько тепла выделяет мост.

Что ещё понадобится

Двигатель подключают к микроконтроллеру через ключ на MOSFET или H-мост, а ток и нагрев ключей проверяют калькулятором радиатора. Двигатели потребляют большие токи и создают помехи, поэтому их питание обычно отделяют от питания логики — об источниках и стабилизаторах в разделе «Питание».

Готовятся к публикации

Бесколлекторные двигатели (BLDC) и их контроллеры · Сервоприводы · Энкодеры и обратная связь по положению · Двигатели переменного тока и частотные преобразователи

Частые вопросы

Какой двигатель выбрать для робота?

Коллекторный двигатель проще всего в управлении: скорость регулируется ШИМ, направление — H-мостом, а с редуктором он даёт нужный момент на колёсах. Если нужно повернуть на заданный угол без датчика — шаговый двигатель. Бесколлекторный выбирают, когда важны ресурс, КПД и высокие обороты, но ему всегда нужен контроллер.

Можно ли управлять двигателем напрямую от микроконтроллера?

Нет: вывод микроконтроллера не даст нужного тока и не выдержит выбросов напряжения от обмотки. Между ними всегда стоит драйвер — ключ на транзисторе с диодом, H-мост или специализированная микросхема драйвера.

Чем бесколлекторный двигатель лучше коллекторного?

По сравнению в AN885 у бесколлекторного нет щёток, которые изнашиваются и искрят, поэтому он дольше служит, тише и меньше создаёт помех, у него выше КПД и шире диапазон оборотов. Зато он дороже и требует контроллера, который переключает обмотки по сигналам датчиков положения ротора.