Иногда возникает такая интересная ситуация, когда необходимо отказаться от шагового двигателя, в виду тех или иных причин: слишком дорогой, габаритный, много потребляющий, слишком (относительно) сложно подключающийся и управляемый.

Понятно, что перечисленные выше «слишком» — на самом деле весьма относительны и довольно легко обходятся.

Однако иногда, коллекторные двигатели, могут дать фору шаговым (с известными оговорками)! Например, когда необходимо сэкономить деньги, а также уменьшить габариты.

Посмотрим, как этого можно добиться и насколько вообще реалистичен такой подход?

Введение

Шаговый двигатель весьма интересная субстанция: он обладает относительно высоким моментом — как во время движения, так и удержания, выгодно отличаясь от других двигателей тем, что имеет высокую износостойкость из‑за отсутствия щёток, при этом, имея возможность повернуть вал на весьма малые углы.

Однако иногда, для хобби‑целей неплохо знать и альтернативный путь, который позволяет добиться практически того же самого, что даёт шаговый двигатель, однако, более дешёвым* путём.

*Однако, нужно не обманываться в том, что «более дешёвый» путь, будет также и более простым: «если где‑то убыло, то где‑то прибудет» :-D — относительное удешевление материальной части обойдётся соответствующим усложнением программной части (и чуть-чуть материальной тоже :-). 

Но, тем не менее, сам путь достаточно занятный чтобы его изучить... 

Сразу надо отметить, что для тех, кто имел мало практики с двигателями разных типов, предложение заменить шаговый двигатель - коллекторным, будет выглядеть чем-то на грани абсурда :-) 

Тем не менее, те же, кто имел чуть больше практики, сразу начнут прикидывать, «а как это могло бы выглядеть, как это реализовать?».

Те же, кто имел ещё больше практики, только одобрительно «ухмыльнутся себе в усы», и скажут: «ну да, ну да, почему бы и нет...»

Однако, вернёмся ближе к нашему вопросу...

Чего мы обычно хотим от шагового двигателя?

Как правило, 3 вещи:

• точно мог повернуться на нужный угол;

• мог удерживаться на нём, с достаточной точностью;

• обладал достаточным моментом (т. е. силой), для осуществления своей работы.

Давайте попробуем разобрать, как мы могли бы решить все три пункта выше! 

Поворот ротора у шагового двигателя решается с помощью пошагового перемещения между зубцами статора: или резкого, попеременного включения/выключения (обычно 2 обмоток), из‑за чего, ротор поворачивается на некоторый угол, «прилипая» то к зубцам одного сердечника кругового электромагнита статора, то к зубцам другого (ниже наглядное объяснение этого на youtube).

Может быть ещё реализован и микрошаговый режим, когда ток на одной обмотке нарастает, с плавным убавлением тока на другой обмотке, где, разбив этот градиент убавления/прибавления тока на соответствующие шаги, можно добиться весьма плавного вращения ротора, так как в этом случае уже не происходит резкое «перескакивание» от зубцов одного сердечника — к зубцам другого, а происходит пошаговое перемещение, где если этих шагов достаточно много, то и ротор будет вращаться весьма плавно.

Вот тут это показано с 1:53:

Но, чтоже делать, если у нас нет таких изысков, так как у нас же коллекторный двигатель, который может только просто вращаться, без поворота на точные углы?

Я думаю, некоторые уже догадались: нам срочно необходим какой‑то лайфхак!:‑) То есть, нам «в эту формулу необходимо ввести новую переменную», иначе, так, «прямо в лоб», эту задачу не решить.

Что может выступить в роли такой переменной, то бишь, какой новый девайс, мы можем добавить нашему коллекторному двигателю, чтобы он приобрёл нужные новые свойства?

Если вы ещё не догадались, то я отвечу — это, всего лишь, навсего, редуктор!

Почему он нам нужен: дело в том, что коллекторный двигатель вращается достаточно быстро, а нам нужно решить две весьма странные задачи: с одной стороны, нужно сделать двигатель достаточно мощным, а с другой, — замедлять его, не создавая попутных проблем.

«Как то это очень странно», скажете вы, » ведь двигатель, когда быстро вращается, он уже вроде как обладает «достаточной силой», то бишь моментом? А с другой стороны, зачем нам его замедлять? Разве двигатель не для того, чтобы как раз, быстро вращаться?

Всё так, и это как раз будет взаимосвязано со второй задачей: удержанием в определённом положении.

Попробуем смоделировать, как мог бы выглядеть такой поворот на определённый угол и удержание, если бы не было редуктора: мы подаём питание на двигатель и он раскручивается с огромной скоростью, где, нам, почти сразу же, его необходимо резко остановить, в процессе чего, уже сам двигатель начинает вырабатывать электрический ток с большой силой (мы ведь не забыли, что любой электродвигатель — это «обратимая электрическая машина», которая может как совершать работу (т. е. вращаться) при подаче внешнего питания, так и вырабатывать ток (при торможении, с отключенным внешним питанием).

Если оставить двигатель с отключенным питанием, и покорно ждать, что он когда‑нибудь сам остановится, то нам ждать придётся относительно долго...

Если же мы хотим относительно быстрого торможения, что нам надо будет подать напряжение с обратной полярностью, где от его величины будет пропорционально зависеть и скорость торможения.

Допустим, что мы подали такое же напряжение, которое вращало двигатель, только другой полярности — это вызовет резкое торможение двигателя, в ходе которого, он ещё какое‑то время будет продолжать вращаться, постепенно замедляясь, в ходе чего, будет вырабатывать достаточно значительный ток, выступая в роли генератора, и ток этот пойдёт в обратном направлении, на управляющую плату и даже может её сжечь, — поэтому устанавливают специальную защиту от этого «реактивного тока».

И вот, наконец‑то, наш двигатель остановился... Казалось бы, все наши проблемы ушли? Вовсе нет: они только начинаются! :-) 

Теперь, двигатель необходимо удерживать каким-то образом в этом положении, используя, уже известный нам метод: сменой полярности питающего напряжения.

Зачем вообще нужно удерживать: чтобы он успешно сопротивлялся весу самой конструкции устройства, или, например, каким-то внешним усилиям, пытающимся его сместить. 

Двигатель, по сути, что это такое? Да, просто электромагнит, если утрировать! 

И чем большее усилие пытается сдвинуть с установленного положения ротор — тем больший ток нам нужно будет подавать на обмотки двигателя, усиливая мощность электромагнита.

Это очень быстро приведёт к возгоранию двигателя и выходу из строя!

Мало того: надо взять откуда‑то этот питающий огромный ток, — для этого его нужно будет пропустить через управляющую электронику, которая тоже этого не выдержит.

В общем: «рассказ был грустным, в итоге все умерли». © :-B

А теперь, посмотрим, что будет, если у нас установлен редуктор: предположим, что мы поставили редуктор с достаточно большим передаточным числом, например, 1000:1 — то есть, на каждую 1000 оборотов ротора двигателя, выходной вал редуктора повернётся, всего лишь, на один оборот.

Из этого следует, что если нам необходимо будет поменять направление вращения двигателя, то двигатель может это делать, за достаточно большое количество оборотов, плавно останавливаясь и плавно разгоняясь, то есть, работая в весьма щадящем режиме, где, кроме всего прочего, уже сам редуктор будет многократно усиливать момент двигателя, успешно противостоя внешним смещающим усилиям!

Если ещё проще: мы не перегреваем обмотки и не ставим под угрозу электронику, а, вместо этого — всю грубую работу перекладываем на редуктор!

Таким образом, как мы видим, редуктор решает легко и просто, второй и третий из озвученных выше трёх вопросов.

Однако, что же нам делать с первым, и самым главным вопросом — поворот на определённый угол?

Так как это у нас не шаговый двигатель и повернуться на строгий угол мы не сможем, то нам вынужденно придётся организовать обратную связь в виде некоего датчика, который будет сигнализировать, что вал повернулся на нужный угол, а управляющее устройство, соответственно, будет отключать питание на двигателе. 

Но тут, сразу возникает проблема: так как двигатель вращается достаточно быстро, и, как только вал достигнет нужного угла поворота, если двигатель отключится или даже переключится на реверс, то вал не сможет остановиться моментально, а, проедет мимо нужного угла!

В некоторой степени это можно нивелировать, если алгоритм управляющего устройства будет учитывать этот момент инерции и, при необходимости поворота на нужный угол, будет отключать двигатель несколько раньше, чем вал физически достигнет этого угла. 

Но, проблема заключается в том, что это, по сути, наш прогноз инертности системы. А что делать, если нагрузка на валу постоянно меняется? При таких условиях мы никогда не сможем точно спрогнозировать, какой будет инерция вала...

Казалось бы, безвыходное положение? Вовсе нет: для этого случая давным‑давно придумали интересный алгоритмический подход: пропорционально‑интегрально‑дифференциальный алгоритм, а система, реализующая этот алгоритм, соответственно, стала носить название пропорционально‑интегрально‑дифференциальной регулятор или, попросту, ПИД‑регилятор (или, говорят ещё »PID‑регулятор»).

Этот алгоритм, по сути, объединяет три подхода:

1. Пропорциональная часть алгоритма: «какова величина ошибки?»

Допустим, нам нужно повернуться на 90°, а мы сейчас находимся только на 30°, соответственно, мы отстаём от цели на целых 60°, поэтому, чтобы быстрее добраться до цели, мы прибавляем скорость и разгоняемся.

В результате, что? Верно: пролетаем мимо цели:‑) и улетаем где‑нибудь, на 120°, например.

Тут мы осознаём, что «чего‑то, вроде, ошиблись, но, ошиблись не сильно».

Так как величина ошибки не особо велика, не 60°, как было в прошлом случае, мы включаем реверс, и разгоняемся на меньшей скорости, так как мы находимся совсем недалеко от цели.

И... снова пролетаем мимо 90°, улетая на 70°.

Отклонение снова есть, но оно представляет собой некую третью величину, тоже не очень большую.

Мы снова останавливаемся, включаем реверс, и аккуратненько начинаем приближаться на малой скорости к своим 90° и... снова пролетаем мимо:-)

Таким образом, мы до бесконечности колеблемся вокруг целевой точки, пропорционально убавляя и прибавляя скорость, в зависимости от того, насколько далеко мы находимся от этой точки. 

Поэтому, используя только этот компонент алгоритма, мы всё время будем пролетать мимо цели, что приводит нас к необходимости использовать следующие два элемента алгоритма, описанных ниже.

2. Интегральная часть алгоритма: «насколько долго наблюдается ошибка?»

Рассмотрим, тот же самый предыдущий случай, когда нам нужно повернуться на 90°. Допустим, что мы осознали, что у нас есть ошибка, включили двигатель и начинаем поворачиваться, где, в какой‑то момент времени обнаруживаем, что, уже оказывается целый час, движемся, но всё ещё не достигли 90°, до сих пор находясь на показателе в 70°.

Соответственно, мы плавно прибавляем скорость, чтобы, как можно быстрее достичь цели.

Таким образом, этот компонент помогает убрать накопившуюся ошибку.

То есть, с применением пропорциональной и интегральной составляющей, система в какой‑то момент времени стабилизируется на целевым значении и продолжает его удерживать.

Однако, если мы резко создадим нагрузку на вал, то система будет реагировать на эту нагрузку слишком долго.

3. Дифференциальная часть алгоритма: «насколько быстро ошибка исправляется и не слишком ли быстро?»

Допустим, что на предыдущих частях алгоритма, мы осознали, что есть ошибка, начали её исправлять, но, в процессе, видим, что мы слишком быстро наращиваем скорость и явно пролетим мимо цели, поэтому, прогнозируя это, мы начинаем заранее снижать скорость, чтобы остановиться, достигнув ровно 90°.

То же касается и ситуации, когда на вал прикладывается нагрузка: две предыдущие части алгоритма пытаются достаточно быстро достигнуть целевого показателя в 90°, а эта третья часть алгоритма является своеобразным «интеллектуальным тормозом», предугадывающим, когда надо начинать тормозиться, чтобы не пролететь мимо цели.

На этом моменте, некоторые уже начали, наверное, догадываться — «что то это всё мне напоминает...». :-) 

Верно, — многие могли видеть работу алгоритма на примере... обычных сервомашинок, широко распространённых в хобби‑моделизме!

И даже больше того: сервомашинки как раз и представляют собой практическую реализацию мысли, вынесенной в заголовок статьи: замена шагового двигателя на коллекторный!

Если вы разберёте такую машинку, то увидите, что внутри неё как раз и находятся коллекторный двигатель, небольшой редуктор, датчик угла поворота — в самом простом, дешёвом случае, выполненный в виде переменного резистора (от этого и вся беда сервомашинок, так как он достаточно недолговечный и через весьма краткое время начинает выдавать ошибки из‑за физического износа), а также небольшая плата контроллера, на которой располагается специальная микросхема, содержащая декодер ШИМ‑сигнала (с помощью этого сигнала мы даём понять, на какой угол нужно повернуть вал, подробную теорию об этом можно найти вот здесь), а также, в том числе, аппаратную реализацию ПИД‑алгоритма, на базе этой микросхемы, что убирает необходимость у пользователя следить за этим вопросом — всеми этими манипуляциями занимается сама электроника, внутри сервопривода.

Только нужно понимать, что ПИД‑алгоритм не является «волшебной пилюлей, работающей из коробки» — его надо настраивать под каждую конкретную систему.

Тем не менее, настроив один раз — можно получить достаточно надёжно работающую систему — и хорошим примером здесь являются квадрокоптеры, двигатели которых как раз и управляются подобным образом, а, единожды произведённая настройка ПИД, позволяет получить надёжно работающую систему, позволяющую дронам, как уверенно зависать, так и противостоять порывам ветра.

Или, взять те же 3D принтеры, где подобным образом поддерживается температура. И не только — алгоритм применяется во множестве сфер.

Ниже, как раз и будет обзорный взгляд на то, как настраивать составляющие ПИД‑алгоритма.

Настройка составляющих ПИД‑алгоритма заключается в соответствующей подгонке коэффициентов в формуле, которая является дискретной адаптацией классической формулы ПИД, под микроконтроллеры (что это за коэффициенты и как выглядит формула, можно глянуть вот тут).

Ручная подгонка этих коэффициентов видится нерациональной (слишком долго и муторно), и, поэтому, имеет смысл использовать автоматические программные реализации, которые сами подберут вам коэффициенты под вашу конкретную систему, «погоняв» её практически.

Одну из таких реализаций вы можете найти вот здесь, где, по ссылке, приблизительно в середине страницы, есть раскрывающиеся списки «Автоматический тюнер коэффициентов 1» и «Автоматический тюнер коэффициентов 2», где как раз и описано, как настраивать эти коэффициенты, в автоматическом режиме.

Кроме всего прочего, мы узнали, что, для работы ПИД‑алгоритма нужен ещё и датчик. Тут следует отметить, что, как было сказано уже выше, в сервоприводах дешёвого типа используются датчики на базе переменного резистора, достаточно недолговечные.

Однако, никто не требует идти таким путём, и, если вы будете собирать свою собственную систему — можно поставить на выходной вал редуктора самодельное считывающее устройство, на базе оптического или магнитного (Холла) датчика, что позволит сделать систему достаточно долговечной.

Таким образом, если подытожить, можно заметить, что мы, начав своё движение от шагового двигателя, постепенно пришли к понятию «сервопривода», который и содержит в своём составе (в самом простом случае) обычный коллекторный электродвигатель.

Сервопривод и зачем он нужен

Сервомашинка, рассмотренная выше, является очень хорошим примером сервопривода, так как на её примере мы фактически можем сказать и это будет относиться уже к «сервоприводам как классу», что сервоприводы представляют собой такое устройство, которое реализует обратную связь, для целей позиционирования выходного вала редуктора, на котором установлен энкодер (устройство, подающее сигналы на датчик, при повороте) приводимого в движение электродвигателем.

Интересно, что сервоприводы появились гораздо раньше шаговых двигателей, так как первые упоминания о подобных устройствах относятся ещё к началу XX века, где они применялись в то время для управления рулевыми механизмами судов, и артиллерийскими орудиями.

В дальнейшем эти системы сильно эволюционировали, в виду появления полупроводниковых микросхем и разработки цифровых алгоритмов управления, благодаря чему, они получили возможность, достаточно точно позиционировать вал, несмотря на меняющуюся нагрузку.

Сервоприводы имеют важное преимущество перед шаговыми двигателями: если шаговый двигатель, в виду некоторых причин (например, резкого дискретного повышения нагрузки на вал) может пропустить шаги — то, в дальнейшем, он сам не способен скорректировать эту ошибку.

В противовес ему, сервопривод, за весьма короткое время отреагирует на нагрузку, и в его случае, в принципе невозможно накопление ошибки, подобно той, которая была накоплена в случае использования шагового двигателя.

Ещё одним важнейшим преимуществом является огромная скорость работы, без потери момента на любой скорости.

Скажем, мне приходилось сталкиваться с исполнительными механизмами, где один и тот же механизм, в зависимости от типа используемого привода, показывал разную скорость движения: с шаговым двигателем — до 0,5-0,6 м/с, с сервоприводом — до 3 м/с! 

И это не предел, приходилось видеть и более дорогие реализации, с ещё более впечатляющей разницей...

Ещё одним плюсом, который может быть существенным для многих, является отсутствие противного звенящего шума, свойственного шаговым двигателям, — так как используется двигатель постоянного вращения, где единственным шумом будет едва слышимое шипение шестерней редуктора, а потенциальный электромагнитный звон обмоток двигателя (довольно громкий, если используется ШИМ), — может быть устранён подачей управляющих сигналов на частоте, выше частоты слышимости человеческого уха (где нибудь на 30 000 Гц, чтобы гарантированно, с запасом).

Это всё делает более удобной систему с подобными двигателями, для применения в домашних условиях, так как, лично мне, по причине излишнего шума, даже 3D принтер приходится отставлять в другую комнату или даже на балк��н (не только из‑за шума, но и запаха, но шум тоже очень существенный фактор)*.

*Тут надо отметить, что фактор шума при работе, не столь очевиден, так как с хорошим драйвером, поддерживающим режим микрошага, и алгоритмы снижения шума, такие как StealthChop, SpreadCycle и т. д. — позволяющих динамически подбирать форму и тайминги подачи питания на обмотки, с целью избежать явлений резонанса, шаговый двигатель будет тоже весьма тихим.

Однако, подобные драйверы фактически можно приравнять к слову «дорого» (относительно, понятно, но всё же); тогда как сделать бесшумным редукторный двигатель достаточно элементарно — всего лишь нужно подать высокочастотный ШИМ сигнал, выше частоты слышимости, с помощью любого драйвера, даже самого дешёвого!

Таким образом, это может быть важным, особенно, при производстве серийных изделий, когда себестоимость играет роль...

Высокая точность работы, высокая скорость, отсутствие накопления ошибки (из‑за постоянной коррекции) — это всё про сервопривод!

Сервопривод может работать на больших ускорениях, на которых шаговый двигатель пропустил бы шаги, к тому же, наличие постоянной обратной связи, гарантирует, что сервопривод позиционирует, например, каретку или головку, именно на то место, где она и должна находиться.

Отличаются сервоприводы и энергоэффективностью, так как потребляют относительно большие токи только при ускорениях и торможениях, в то время как, при удержании, этот ток минимален.

Конечно, не всё так просто, и мы уже видели, что подобная красота оборачивается сложными алгоритмами управления, с необходимостью их предварительной настройки.

Таким образом, подытоживая, можно сказать, что шаговый двигатель вполне может быть заменён коллекторным двигателем, причём это даже даст новые, неожиданные преимущества.

Сразу скажу, что для меня самого это далеко не праздный интерес — так как появилась одна интересная мыслишка, по производству некоторых серийных изделий, где с целью уменьшения шума, удешевления системы в целом (в первую очередь, для конечного потребителя), с одновременным ускорением движения и уменьшения габаритов приводов — как раз и планирую использовать микродвигатели типа n20, с металлическим редуктором и энкодером, — такие бывают обычно в готовом виде, даже ничего не нужно собирать, под названием Ga12-n20:

А таблица ниже показывает очень важную информацию: на каждый оборот выходного вала редуктора, сколько импульсов дают датчики Холла (датчики Холла тут стоят цифровые, поэтому импульсы идут дискретные, а не значения из диапазона, как было бы с аналоговым датчиком).

Нетрудно заметить, что чем меньше оборотов на выходном валу, тем больше импульсов, что не удивительно — двигателю то нужно вращаться больше!

В общем, в таблице ниже смотрим на 3 колонку слева (Speed) и на последнюю колонку (Hall feedback resolution).

Другими словами, можете 360 градусов поделить на число из колонки «Hall feedback resolution» и вы поймёте, на какой минимальный угол может повернуться вал редуктора.

Скажем, в моём случае это: 360/19.36 ≈ 18,6°. Маловато, если сравнивать с базовым режимом шагового двигателя: 1.8°...

Что делать? А вот что: нужно учитывать не только фронт сигнала, но и срез! То есть и переход 0 в 1 и 1 в 0!. Таким образом, мы увеличим разрешение в 4 раза, просто алгоритмическим путём! То есть, в моём случае, уже разрешение составит ~4.65°.

Всё равно мало, по сравнению с шаговиком, но для моих целей сойдёт...:-)

А вот вам, чтобы этот двигатель был равен стандартному шаговому, с его 200 шагов на оборот — надо брать двигатель из таблицы ниже, с как минимум, 50 импульсами на оборот, то есть: 58,94 (265 оборотов на валу редуктора) — он даст возможность 235.76 шагов на оборот (58,94×4 = 235.76) — это уже лучше грубого режима шагового двигателя.

А вот если захочется превзойти шаговый двигатель с его 6400 шагов на оборот — то тут уже надо брать ещё более медленный редуктор. Такого в таблице нет, но я такие видел... То есть, самый медленный из таблицы (на 20 об/мин вала), даст 758,3 импульса. Увеличиваем в 4 раза: 758,3*4 = 3 033,2. То есть, грубо говоря, надо минимум вполовину более медленный редуктор, где то на 5 об/мин выходного вала.

Напоследок скажу, что полученные значения касаются только вот этого, готового, покупного двигателя, что, в свою очередь, означает, что никто не мешает вам самостоятельно собрать систему двигатель‑энкодер, с бОльшим разрешением, скажем, установив спицевый энкодер (как спицы колеса велосипеда).

Должно получиться интересно...:-) А вы что думаете? ;-)