Arduino και βηματικός κινητήρας: βασικά στοιχεία, σχήματα, σύνδεση και έλεγχος

Οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της θέσης κάποιου προϊόντος ή για την περιστροφή της μονάδας εργασίας με δεδομένη ταχύτητα και γωνία. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούσαν δυνατή τη χρήση του σε ρομποτική, αριθμητικά ελεγχόμενες μηχανές (CNC) και άλλα συστήματα αυτοματισμού. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε μια σειρά ζητημάτων που σχετίζονται με την κατασκευή των βηματικών κινητήρων και τον τρόπο ελέγχου τους χρησιμοποιώντας τον μικροελεγκτή Arduino.

Ο βηματικός κινητήρας διαφέρει από τον συνηθισμένο

Όλοι οι ηλεκτροκινητήρες που χρησιμοποιούνται στην πράξη λειτουργούν λόγω ηλεκτροδυναμικών φαινομένων και διεργασιών που συμβαίνουν στα μαγνητικά πεδία των δρομέων και των στάτων. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, κάθε κινητήρας αποτελείται από τουλάχιστον δύο μέρη - κινητό (ρότορα) και ακίνητο (στάτορα). Για την περιστροφή του, είναι απαραίτητο το μαγνητικό πεδίο να περιστρέφεται επίσης. Το πεδίο του ρότορα περιστρέφεται μετά το πεδίο στάτορα.

Κατ 'αρχήν, οι βασικές αυτές πληροφορίες επαρκούν για την κατανόηση της γενικής εικόνας της λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, η βιομηχανία παράγει διάφορες επιλογές κινητήραμεταξύ των οποίων:

1. Κινητήρας επαγωγής σκίουρος ή περιστροφικού περιστροφέα.

2. Σύγχρονος κινητήρας με περιελίξεις πεδίου ή με μόνιμους μαγνήτες.

3. Κινητήρας DC.

4. Γενικός κινητήρας συλλέκτη (λειτουργεί τόσο με συνεχές ρεύμα όσο και με εναλλασσόμενο ρεύμα, επειδή οι περιελίξεις του ρότορα συνδέονται και αποσυνδέονται από τις επαφές της πηγής ενέργειας λόγω του σχεδιασμού των πλακών και των αγκυρίων).

5. Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (BLDC).

6. Σέρβο.

7. Κινητήρες Stepper.

Τα τελευταία δύο είδη έχουν ιδιαίτερη αξία, λόγω της πιθανότητας να είναι, σε κάποιο βαθμό, ακριβή τοποθέτηση στο διάστημα. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο σχεδιασμό του βηματικού μοτέρ.

Ορισμός

Ένας βηματικός κινητήρας ονομάζεται σύγχρονος κινητήρας χωρίς ψήκτρες. Ένας ορισμένος αριθμός περιελίξεων βρίσκεται στον στάτορα, η σύνδεση του οποίου προκαλεί την περιστροφή της ρόδας σε συγκεκριμένη γωνία, ανάλογα με τον αριθμό των βημάτων. Με άλλα λόγια, το ρεύμα στην περιέλιξη του στάτορα προκαλεί την περιστροφή του άξονα σε μια διακριτή γωνία.

Με μία ομοιόμορφη και διαδοχική αλλαγή στην πολικότητα της τάσης κατά μήκος των περιελίξεων και την ενεργοποίηση των ενεργοποιημένων περιελίξεων, ο βηματικός κινητήρας περιστρέφεται, παρόμοιος με έναν συμβατικό ηλεκτροκινητήρα, αν και στην πραγματικότητα λαμβάνει χώρα κανονική περιστροφή σε σταθερή γωνία.

Ο βηματικός κινητήρας ονομάζεται μερικές φορές και ο κινητήρας. με έναν πεπερασμένο αριθμό θέσεων ρότορα. Δεν ακούγεται πολύ σαφής, ας το καταλάβουμε. Φανταστείτε έναν συμβατικό κινητήρα - η θέση του ρότορα του δεν είναι σταθερή με κανέναν τρόπο, δηλαδή απλώς περιστρέφεται ενώ είναι συνδεδεμένη η τροφοδοσία και όταν σβήνει, σταματάει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ανάλογα με την αδράνεια. Οι θέσεις του ρότορα μπορεί να είναι όσο θέλετε, αλλά μπορούν να διαφέρουν από τα μικρότερα κλάσματα ενός βαθμού.

Σε ένα βηματικό μοτέρ, η σύνδεση μιας περιέλιξης ή αρκετών περιελίξεων προκαλεί μια "μαγνήτιση" του δρομέα σε σχέση με αυτές τις περιελίξεις. Εξωτερικά, μοιάζει ακριβώς με τη στροφή του άξονα σε μια ορισμένη γωνία (pitch). Δεδομένου ότι ο αριθμός των βημάτων είναι ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου ηλεκτρικής κίνησης, ο αριθμός των θέσεων του ρότορα είναι ίσος με τον αριθμό των βημάτων. Είναι δύσκολο για τους αρχαρίους να καταλάβουν πώς μπορεί να είναι αυτό και πώς περιστρέφεται σε αυτή την περίπτωση - στην πραγματικότητα, όλα είναι αρκετά απλά, θα το δείξουμε αυτό στις παρακάτω απεικονίσεις και περιγραφές.

Κατασκευή

Οι περιελίξεις διέγερσης είναι στερεωμένες στον στάτορα του ηλεκτροκινητήρα. Ο ρότορας είναι κατασκευασμένος από μαλακά μαγνητικά ή σκληρά μαγνητικά υλικά. Το υλικό του δρομέα εξαρτάται από τη ροπή και τη στερέωση του άξονα με περιελίξεις που δεν ενεργοποιούνται. Αυτές οι παράμετροι μπορεί να είναι κρίσιμες.

Συνεπώς, διακρίνονται μαγνητικά στερεά στροφείς (είναι επίσης με μόνιμους μαγνήτες) και μαγνητικά μαλακούς (αντιδραστικούς) ρότορες, επιπλέον των υβριδικών στροφείων.

Ο υβριδικός ρότορας γίνεται οδοντωτός, ο αριθμός των δοντιών αντιστοιχεί στον αριθμό των βημάτων. Τα δόντια βρίσκονται κατά μήκος του άξονα του δρομέα. Επιπλέον, ένας τέτοιος ρότορας χωρίζεται σε δύο μέρη. Ένας μόνιμος μαγνήτης είναι τοποθετημένος μεταξύ τους, έτσι ώστε κάθε ένα από τα μισά του ρότορα να είναι ένας μαγνητικός πόλος. Θα πρέπει επίσης να ειπωθεί ότι το ήμισυ του ρότορα περιστρέφεται κατά το ήμισυ του βήματος των δοντιών σε σχέση μεταξύ τους.

Όπως αναφέρθηκε ήδη, ένας τέτοιος κινητήρας είναι σύγχρονος και η διαδικασία της περιστροφής του συνίσταται στη δημιουργία ενός περιστρεφόμενου πεδίου του δρομέα, το οποίο αναζητεί ο μαγνητικός δρομέας και αυτό επιτυγχάνεται με την εναλλαγή των περιελίξεων από τον ελεγκτή με τη σειρά του.

Οι τύποι βηματικών κινητήρων για τον σχεδιασμό των περιελίξεων χωρίζονται σε τρεις κύριες ομάδες σύμφωνα με το σχέδιο σύνδεσης των περιελίξεων:

1. Διπολική.

2. Unipolar.

3. Με τέσσερα περιελίξεις.

Οι περισσότεροι διπολικοί ηλεκτροκινητήρες έχουν 4 επαφές - πρόκειται για συμπεράσματα από δύο περιελίξεις. Μέσα στον κινητήρα, δεν συνδέονται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ τους. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί η αλλαγή της πολικότητας ισχύος, πράγμα που σημαίνει ότι ο οδηγός και η ίδια η διαδικασία ελέγχου θα γίνει πιο περίπλοκη.

Το Unipolar μοιάζει με τη σύνδεση των περιελίξεων σύμφωνα με το σχέδιο του αστεριού. Με άλλα λόγια, έχετε 5 συμπεράσματα - 4 από αυτά είναι τα άκρα των περιελίξεων και 1 είναι το σημείο σύνδεσης όλων των περιελίξεων.

Για να ελέγξετε έναν τέτοιο κινητήρα, χρειάζεται απλώς να τροφοδοτείτε εναλλακτικά την παροχή ενέργειας σε κάθε άκρο της περιέλιξης (ή σε μερικά από αυτά, ανάλογα με την επιλεγμένη λειτουργία περιστροφής), με αυτό τον τρόπο η μισή περιέλιξη θα τροφοδοτείται κάθε φορά. Μπορεί να λειτουργεί σε διπολική λειτουργία, εάν τροφοδοτείτε ολόκληρη την περιέλιξη περνώντας τελείως από τη μέση της βρύσης.

Οι κινητήρες με 4 περιελίξεις έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορείτε να συνδέσετε τα περιελίξεις με οποιονδήποτε τρόπο για σας και να έχετε τόσο διπολικό όσο και μονοπολικό κινητήρα.

Λειτουργίες ελέγχου

Υπάρχουν τέσσερις βασικές λειτουργίες ελέγχου μοτέρ βηματικών:

1. Έλεγχος κύματος.

2. Πλήρες βήμα.

3. Half-step.

4. Microstepping

Volnov ο έλεγχος ονομάζεται έλεγχος μιας περιέλιξης. Π.χ. Ταυτόχρονα, το ρεύμα ρέει μέσω μιας από τις περιελίξεις, εξ ου και δύο χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά - χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (αυτό είναι καλό) και χαμηλή ροπή στρέψης (αυτό είναι κακό).

Σε αυτήν την περίπτωση, αυτός ο κινητήρας λαμβάνει 4 βήματα σε μία περιστροφή. Οι πραγματικοί κινητήρες λαμβάνουν δεκάδες βήματα σε μία επανάσταση, αυτό επιτυγχάνεται με μεγάλο αριθμό εναλλαγών μαγνητικών πόλων.

Διαχείριση πλήρων βημάτων είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη. Εδώ, η τάση παρέχεται όχι σε ένα τύλιγμα, αλλά σε δύο ταυτόχρονα. Εάν οι περιελίξεις είναι συνδεδεμένες παράλληλα, τότε το ρεύμα διπλασιάζεται, και εάν σε σειρά, η τάση τροφοδοσίας διπλασιάζεται, αντίστοιχα. Από τη μία πλευρά, σε αυτή τη μέθοδο ελέγχου, ο κινητήρας καταναλώνει περισσότερη ενέργεια, από την άλλη πλευρά, ροπή 100%, σε αντίθεση με την προηγούμενη.

Έλεγχος σε μισό βήμα Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι καθίσταται δυνατή η ακριβέστερη τοποθέτηση του άξονα του κινητήρα, λόγω του γεγονότος ότι τα μισά προστίθενται σε ολόκληρα βήματα, αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας τους προηγούμενους δύο τρόπους λειτουργίας και εναλλάσσονται οι περιελίξεις, στη συνέχεια ενεργοποιώντας τα ζεύγη και στη συνέχεια ένα κάθε φορά.

Αξίζει να σκεφτεί κανείς ότι η στιγμή στον άξονα επιπλέει από 50 έως 100%, ανάλογα με το αν εμπλέκονται αυτή τη στιγμή 1 ή 2 περιελίξεις.

Ακόμα πιο ακριβής είναι μικροδιακοπή. Είναι παρόμοιο με το προηγούμενο, αλλά διαφέρει από το ότι η ισχύς στις περιελίξεις δεν τροφοδοτείται πλήρως, αλλά σταδιακά αλλάζει. Έτσι, ο βαθμός πρόσκρουσης στον ρότορα κάθε μίας περιελίξεως αλλάζει και η γωνία περιστροφής του άξονα στα ενδιάμεσα στάδια ποικίλλει ομαλά.

Πού να πάρετε ένα βηματικό μοτέρ

Θα έχετε πάντα χρόνο να αγοράσετε ένα βηματικό μοτέρ, αλλά οι πραγματικοί ραδιοερασιτέχνες, οικιακοί άνθρωποι και ηλεκτρονικοί μηχανικοί είναι διάσημοι για το γεγονός ότι μπορούν να κάνουν κάτι χρήσιμο από τα σκουπίδια. Σίγουρα έχετε τουλάχιστον ένα βηματικό μοτέρ στο σπίτι σας. Ας υπολογίσουμε πού να κοιτάξουμε για να βρούμε μια τέτοια μηχανή.

1. Ο εκτυπωτής.Οι βηματικοί κινητήρες μπορούν να σταθούν στην περιστροφή του άξονα τροφοδοσίας χαρτιού (αλλά μπορεί επίσης να υπάρχει ένας κινητήρας DC με αισθητήρα μετατόπισης).

2. Σαρωτές και MFP. Οι σαρωτές συχνά εγκαθιστούν ένα βηματικό μοτέρ και ένα μηχανικό τμήμα κατά μήκος του οποίου οι οδηγοί του φορείου, αυτά τα μέρη μπορούν επίσης να είναι χρήσιμα για την ανάπτυξη μιας οικιακής μηχανής CNC.

3. Μονάδες CD και DVD. Μπορείτε επίσης να πάρετε ράβδους και βιδωτά άξονες για σπιτικά προϊόντα και διάφορα CNC σε αυτά.

4. Δίσκοι δισκέτας. Οι δισκέτες έχουν επίσης βηματικούς κινητήρες, ειδικά αρχεία δισκέτας της μορφής 5.25 ".

Βηματικός οδηγός κινητήρα

Για τον έλεγχο των βηματικών κινητήρων χρησιμοποιούνται εξειδικευμένα μικροκυκλώματα οδηγού. Κυρίως πρόκειται για γέφυρα Η των τρανζίστορ. Χάρη σε αυτή την ένταξη, είναι δυνατό να ενεργοποιηθεί η τάση της επιθυμητής πολικότητας στο τύλιγμα. Αυτά τα τσιπ είναι επίσης κατάλληλα για τον έλεγχο κινητήρων DC με υποστήριξη για αλλαγή της κατεύθυνσης περιστροφής.

Κατ 'αρχήν, μπορούν να ξεκινήσουν άμεσα πολύ μικρές μηχανές από τις ακίδες του μικροελεγκτή, αλλά συνήθως δίνουν μέχρι και 20-40 mA, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις δεν αρκεί. Επομένως, εδώ είναι μερικά παραδείγματα οδηγών για βηματικούς κινητήρες:

1. Πίνακες με βάση το L293D. Υπάρχουν πολλοί από αυτούς, ένας από τους οποίους πωλείται υπό την εγχώρια μάρκα Amperka με την ονομασία Troyka Stepper, ένα παράδειγμα της χρήσης του σε ένα πραγματικό έργο παρουσιάζεται στο παρακάτω βίντεο. Το πλεονέκτημα αυτού του συγκεκριμένου συμβουλίου είναι ότι έχει λογικές μάρκες που μπορούν να μειώσουν τον αριθμό των ακίδων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του.

Το ίδιο το τσιπ λειτουργεί υπό τάση 4,5-36V και παράγει ρεύμα μέχρι 600mA-1A, ανάλογα με την περίπτωση IC.

2. A4988 οδηγός. Τροφοδοτείται από τάση έως 35V, μπορεί να αντέξει ρεύμα έως 1Α χωρίς καλοριφέρ και με καλοριφέρ μέχρι 2Α. Μπορεί να ελέγχει τον κινητήρα, τόσο σε ολόκληρα βήματα όσο και σε μέρη - από το 1/16 του βήματος έως το 1ο βήμα, μόνο 5 επιλογές. Περιέχει δύο H-γέφυρες. Χρησιμοποιώντας την αντίσταση συντονισμού (βλέπετε στη δεξιά φωτογραφία), μπορείτε να ρυθμίσετε το ρεύμα εξόδου.

Το μέγεθος βήματος ρυθμίζεται από τα σήματα στις εισόδους MS1, MS2, MS3.

Εδώ είναι ένα διάγραμμα της σύνδεσης του, κάθε παλμός στην είσοδο STEP ορίζει τον κινητήρα να περιστρέφεται με 1 βήμα ή με ένα μικρό βήμα.

3. Ο οδηγός βασισμένος στο ULN2003 λειτουργεί με κινητήρες 5 και 12 V και παράγει ρεύμα έως 500 mA. Στις περισσότερες πλακέτες υπάρχουν 4 λυχνίες LED που δείχνουν τη λειτουργία κάθε καναλιού.

Επίσης στον πίνακα μπορείτε να δείτε το μπλοκ ακροδεκτών για τη σύνδεση των κινητήρων, παρεμπιπτόντως, πολλά από αυτά πωλούνται με αυτόν τον συνδετήρα. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου κινητήρα είναι ένα μοντέλο 5V - 28BYJ-48.

Και αυτά δεν είναι όλες οι επιλογές οδηγού για βηματικούς κινητήρες, στην πραγματικότητα υπάρχουν ακόμα περισσότερα από αυτά.

Σύνδεση με τον οδηγό του Arduino και το βηματικό μοτέρ

Στις περισσότερες περιπτώσεις, πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν μικροελεγκτή που συνδυάζεται με ένα πρόγραμμα οδήγησης για ένα βηματικό μοτέρ. Ας δούμε το διάγραμμα σύνδεσης και τα παραδείγματα κώδικα. Εξετάστε μια σύνδεση που βασίζεται στο πιο πρόσφατο οδηγό - ULN2003 στο συμβούλιο Arduino. Και έτσι έχουν 4 εισόδους, υπογράφονται ως IN1, IN2, κλπ. Πρέπει να συνδεθούν με τους ψηφιακούς ακροδέκτες της πλακέτας Arduino και ένας κινητήρας πρέπει να συνδεθεί με τον οδηγό όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Επιπλέον, ανάλογα με τη μέθοδο ελέγχου, πρέπει να εφαρμόσετε στις εισόδους 1 ή 0 από αυτές τις ακίδες, συμπεριλαμβανομένων 1 ή 2 περιελίξεων στην απαιτούμενη ακολουθία. Ο κώδικας για το πρόγραμμα ελέγχου πλήρους βήματος μοιάζει με αυτό:

int in1 = 2.

int in2 = 3.

int in3 = 4.

int in4 = 5;

const int dl = 5;

άκυρη ρύθμιση () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

Ψηφιακή εγγραφή (in1, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in2, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

Ψηφιακή εγγραφή (in2, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in3, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in3, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in4, HIGH);

καθυστέρηση (dl);

Ψηφιακή εγγραφή (in1, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in4, HIGH);

καθυστέρηση (dl);

}

 

Περιλαμβάνει περιελίξεις στην ακόλουθη ακολουθία:

Εδώ είναι ο κώδικας για τη λειτουργία μισής βαθμίδας, όπως μπορείτε να δείτε, είναι πολύ πιο ογκώδης, αφού περιλαμβάνει μεγαλύτερο αριθμό περιελίξεων αλλαγής.

int in1 = 2.

int in2 = 3.

int in3 = 4.

int in4 = 5;

const int dl = 5;

άκυρη ρύθμιση () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

Ψηφιακή εγγραφή (in1, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

Ψηφιακή εγγραφή (in1, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in2, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

Ψηφιακή εγγραφή (in2, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

Ψηφιακή εγγραφή (in2, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in3, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in3, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in4, χαμηλή);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in3, HIGH);

Ψηφιακή εγγραφή (in4, HIGH);

καθυστέρηση (dl);

ψηφιακή γραφή (in1, χαμηλή);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in4, HIGH);

καθυστέρηση (dl);

Ψηφιακή εγγραφή (in1, HIGH);

ψηφιακή γραφή (in2, LOW);

ψηφιακή γραφή (in3, LOW);

Ψηφιακή εγγραφή (in4, HIGH);

καθυστέρηση (dl);

}

 

Αυτό το πρόγραμμα περιλαμβάνει περιελίξεις ως εξής:

Για να παγιώσετε τις πληροφορίες που έχετε λάβει, παρακολουθήστε το χρήσιμο βίντεο:

Συμπέρασμα

Οι βηματικοί κινητήρες είναι δημοφιλείς μεταξύ των αρσενικών μαζί με σερβο, επειδή σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε ρομπότ και μηχανές CNC. Το τελευταίο βοηθάται από την αφθονία στη δευτερογενή αγορά υπερ-φθηνών χρησιμοποιούμενων μονάδων οπτικών δίσκων.