Dacă ați avut vreodată plăcerea de a demonta o imprimantă veche de salvat electronic componente, puteți întâlni multe motoare misterioase cilindrice cu 4 sau mai multe fire care ies din părți. Ați auzit zumzetul tipic al unei imprimante 3D desktop sau simfonia bug-electromecanică a discurilor dintr-o unitate CD? Dacă da, atunci vă confruntați cu un motor pasager!
Motoarele pas cu pas fac ca lumea electromecanică să se rotească (cu un cuplu mai mare!), Dar spre deosebire de un motor DC convențional, controlul unui motor pas cu pas necesită puțin mai mult decât curentul prin două fire. Acest articol va vorbi despre teoria proiectării și funcționării unui motor pas cu pas. De îndată ce vom lua în considerare elementele de bază, autorul acestui ghid va arăta cum să construiți circuite simple pentru controlul motoarelor pas cu pas și apoi cum să folosiți microcircuite speciale pentru șofer.
Pasul 1: Ce face un motor un motor pas cu pas?
Cine poate avea nevoie de mai mult de două fire și un H-bridge? De ce? Ei bine, spre deosebire de motoarele cu perie convenționale cu curent continuu, construite pentru turație maximă (sau kV pentru RC), motoarele pas cu pas sunt motoare fără perii concepute pentru cuplul ridicat (ulterior viteză mai mică) și mișcarea de rotație mai precisă. În timp ce un motor cu curent continuu este excelent pentru rotirea elicei la viteză mare pentru a obține tracțiune maximă, un motor pas cu pas este mai bun pentru rularea unei foi de hârtie în sincronizare cu mecanismul cu jet de cerneală din interiorul imprimantei sau pentru rotirea cu atenție a arborelui liniar de linie într-o moară CNC.
În interior, motoarele pas cu pas sunt mai complexe decât un motor DC simplu, cu mai multe bobine în jurul miezului cu magneți permanenți, dar cu această complexitate adăugată este oferit un control mai mare. Datorită aranjamentului atent al serpentinelor încorporate în stator, rotorul motorului pasager se poate roti cu un pas dat, schimbând polaritatea dintre bobine și schimbând polaritatea lor în conformitate cu schema de aprindere stabilită. Motoarele pas cu pas nu sunt făcute la fel și pentru execuția lor internă sunt necesare scheme unice (dar de bază). Vom discuta despre cele mai frecvente tipuri de motoare pas cu pas în pasul următor.
Pasul 2: Tipuri de motoare Stepper
Există mai multe modele diferite de motoare pas cu pas. Acestea includ rezistența unipolară, bipolară, universală și variabilă. Vom discuta despre proiectarea și funcționarea motoarelor bipolare și unipolare, deoarece acesta este cel mai frecvent tip de motor.
Motor unipolar
Motoarele unipolare au de obicei cinci, șase sau opt cabluri care vin de la bază și o bobină pe fază. În cazul unui motor cu cinci fire, al cincilea fir este robinetul central conectat al perechilor de bobine. Într-un motor cu șase fire, fiecare pereche de bobine are propriul robinet central. Într-un motor cu opt fire, fiecare pereche de bobine este complet separată de celelalte, ceea ce îi permite să fie conectat în diferite configurații. Aceste fire suplimentare vă permit să conduceți motoare unipolare direct de la un controler extern cu tranzistoare simple pentru a controla fiecare bobină separat. Un circuit de aprindere în care este condusă fiecare bobină determină direcția de rotație a arborelui motor. Din păcate, având în vedere că este furnizată o singură bobină simultan, cuplul de reținere al unui motor unipolar va fi întotdeauna mai mic decât cel al unui motor bipolar de aceeași dimensiune. Olandând robinetele centrale ale unui motor unipolar, acesta poate funcționa acum ca un motor bipolar, dar acest lucru va necesita o schemă de control mai complexă. În a patra etapă a acestui articol, vom conduce un motor unipolar, care ar trebui să clarifice unele dintre conceptele prezentate mai sus.
Motor bipolar
Motoarele bipolare au de obicei patru fire și sunt mai durabile decât un motor unipolar de dimensiuni comparative, dar, având în vedere că avem o singură bobină pe fază, trebuie să întoarcem curentul prin bobine pentru a face un pas. Nevoia noastră de a schimba curentul înseamnă că nu vom mai putea controla bobinele direct cu un singur tranzistor, ci un circuit complet cu punte h. Construirea punții h potrivite este obositoare (ca să nu mai vorbim de două!), Așadar vom folosi un șofer dedicat motorului bipolar (vezi pasul 5)
Pasul 3: Înțelegerea specificațiilor motorului Stepper
Să vorbim despre cum să determinați specificațiile motorului. Dacă ați dat peste un motor pătrat cu un ansamblu specific format din trei piese (a se vedea figura trei), este foarte probabil un motor NEMA. Asociația Națională a Producătorilor de Electricitate are un standard specific pentru specificațiile motorului care folosește un cod de litere simple pentru a determina diametrul din fața motorului, tipul de montare, lungimea, curentul de fază, temperatura de operare, tensiunea de fază, treptele de rotație și cablarea.
Citiți pașaportul motorului
Pentru pasul următor, acest motor unipolar va fi utilizat. Mai sus este un tabel de date. Și deși este concis, ne oferă tot ceea ce avem nevoie pentru o funcționare corectă. Să ne uităm la ce este în listă:
Faza: Acesta este un motor unipolar cu patru faze. Motorul intern poate avea orice număr de bobine reale, dar în acest caz sunt grupate în patru faze, care pot fi controlate independent.
Pas unghi: cu o rezoluție aproximativă de 1,8 grade pe pas, obținem 200 de pași pe revoluție. Deși aceasta este o rezoluție mecanică, cu ajutorul micro-joncțiunii putem crește această rezoluție fără modificări ale motorului (mai multe despre acest lucru la pasul 5).
Tensiune: Tensiunea nominală a acestui motor este de 3 volți. Aceasta este o funcție a curentului și a rezistenței nominale a motorului (legea lui Ohm V = IR, deci 3V = 2A * 1.5Ω)
Curent: Cât de mult curent are nevoie de acest motor? Doi amperi pe fază! Această cifră va fi importantă atunci când alegem tranzistoarele noastre de putere pentru circuitul de control de bază.
Rezistența: 1,5 ohmi pe fază va limita ce curent putem furniza fiecărei faze.
Inductanță: 2,5 mH. Natura inductivă a bobinelor motorului limitează viteza de încărcare a bobinelor.
Moment de menținere: aceasta este cantitatea de forță reală pe care o putem crea atunci când se aplică tensiune pe motorul pas cu pas.
Momentul de menținere: acesta este momentul în care ne putem aștepta de la motor atunci când acesta nu este alimentat.
Clasa de izolație: Clasa B face parte din standardul NEMA și ne oferă un rating de 130 de grade Celsius. Motoarele pas cu pas nu sunt foarte eficiente, iar consumul constant de curent maxim înseamnă că vor deveni foarte calde în timpul funcționării normale.
Indicatori de înfășurare: diametrul sârmei 0,644 mm., Număr de rotații cu diametrul 15,5, secțiune transversală 0,326 mm2
Detectarea perechilor de bobine
Deși rezistența înfășurărilor bobinei poate varia de la motor la motor, dacă aveți un multimetru, puteți măsura rezistența pe oricare două fire, dacă rezistența este <10 Ohms, probabil că ați găsit o pereche! Acesta este practic un proces de eroare de încercare, dar ar trebui să funcționeze pentru majoritatea motoarelor, dacă nu aveți un număr de piesă / specificație.
Pasul 4: control direct al motoarelor pas cu pas
Datorită locației firelor într-un motor unipolar, putem porni secvențial bobinele folosind doar MOSFET-uri de putere simplă. Figura de mai sus arată un circuit simplu cu un tranzistor MOS. Acest aranjament vă permite să controlați pur și simplu nivelul logic folosind un microcontroller extern. În acest caz, cel mai simplu este să folosiți o placă de bază Intel Edison, cu stil de placă de circuit Arduinopentru a obține un acces ușor la GPIO (cu toate acestea, orice micro cu patru GPIO-uri va face). IRF510 MOSFET de mare putere cu canal N este utilizat pentru acest circuit. IRF510, capabil să consume până la 5,6 amperi, va avea suficientă putere liberă pentru a satisface cerințele motorului cu 2 amperi. Nu sunt necesare leduri, dar vă vor oferi o confirmare vizuală bună a secvenței de lucru. Este important de menționat că IRF510 trebuie să aibă un nivel logic de cel puțin 5 V, astfel încât să poată consuma suficient curent pentru motor. Puterea motorului în acest circuit va fi de 3 V.
Secvență de lucru
Controlul complet al unui motor unipolar cu această setare este foarte simplu. Pentru a roti motorul, trebuie să pornim fazele în modul dat, astfel încât să se rotească corect. Pentru a roti motorul în sensul acelor de ceasornic, vom controla fazele astfel: A1, B1, A2, B2. Pentru a roti în sens invers acelor de ceasornic, schimbăm pur și simplu direcția secvenței în B2, A2, B1, A1. Acest lucru este bun pentru controlul de bază, dar ce se întâmplă dacă doriți mai multă precizie și mai puțină muncă? Să vorbim despre utilizarea unui driver dedicat pentru a face lucrurile mult mai ușoare!
Pasul 5: plăci de șofer pentru motorul pas cu pas
Dacă doriți să începeți controlul motoarelor bipolare (sau motoare unipolare într-o configurație bipolară), trebuie să luați o placă de control specială a șoferului. Fotografia de mai sus arată Big Easy Driver și placa de transport pentru șoferul cu motor pasager A4988. Ambele planșe sunt plăci de circuit tipărite pentru șoferul cu doi pași Allegro A4988 cu doi poli microstep, care este de departe unul dintre cele mai obișnuite cipuri pentru conducerea motoarelor pas cu pas mic. Pe lângă faptul că au punțile h duale necesare pentru controlul unui motor bipolar, aceste plăci oferă multe opțiuni pentru ambalaje minuscule și ieftine.
montare
Aceste plăci universale au o conexiune uimitor de scăzută. Puteți începe să controlați motorul folosind doar trei conexiuni (doar două GPIO) cu controlerul principal: pământ comun, pas și direcție. Pasul pas și direcția acestuia rămân plutitoare, așa că trebuie să le legați de tensiunea de referință cu un rezistor de sarcină. Impulsul trimis la pinul STEP va muta motorul cu un pas la o rezoluție în conformitate cu pinii de referință microstep. Nivelul logic de la pinul DIR determină dacă motorul se va roti în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic.
Motor Microstep
În funcție de modul în care sunt montați pinii M1, M2 și M3, puteți obține o rezoluție crescută a motorului prin microsteping. Microstep include trimiterea unei varietăți de impulsuri pentru a trage motorul între rezoluția electromagnetică a magneților fizici din rotor, oferind un control foarte precis. A4988 poate trece de la pasul complet la rezoluția celui de-al șaisprezecelea pas. Cu motorul nostru de 1,8 grade, acest lucru va oferi până la 3200 de pași pe revoluție. Vorbeste despre micile detalii!
Coduri / Biblioteci
Conectarea motoarelor poate fi ușoară, dar despre controlul lor? Verificați aceste biblioteci de coduri pregătite pentru controlul motorului pas cu pas:
Stepper - Clasicul încorporat în IDE Arduino vă permite să efectuați un pas de bază și să controlați viteza de rotație.
Accel stepper - O bibliotecă mult mai completă, care vă permite să controlați mai bine mai multe motoare și care să asigure accelerarea și decelerarea corectă a motorului.
Intel C ++ MRAA Stepper - O bibliotecă de nivel inferior pentru cei care doresc să se afle în managementul motorului pas cu pas C ++ folosind Intel Edison.
Aceste cunoștințe ar trebui să fie suficiente pentru a înțelege cum să lucrați cu motoare pas cu pas în lumea electromecanică, dar acesta este doar începutul.
