Arduino ja askelmoottori: perusteet, kaaviot, kytkentä ja hallinta

Askelmoottoreita käytetään jonkin aseman ohjaamiseen tai työyksikön kiertämiseen tietyllä nopeudella ja kulmassa. Tällaiset ominaisuudet mahdollistivat sen käytön robotiikassa, numeerisesti ohjattuissa koneissa (CNC) ja muissa automaatiojärjestelmissä. Tässä artikkelissa tarkastellaan useita askelmoottoreiden rakentamiseen liittyviä kysymyksiä ja miten niitä ohjataan Arduino-mikrokontrollerilla.

Askelmoottori eroaa tavallisesta

Kaikki käytännössä käytetyt sähkömoottorit toimivat roottorien ja staattoreiden magneettikentissä tapahtuvien sähköodynaamisten ilmiöiden ja prosessien takia. Kuten jo mainittiin, mikä tahansa moottori koostuu vähintään kahdesta osasta - liikkuva (roottori) ja liiketon (staattori). Kiertoa varten on välttämätöntä, että myös magneettikenttä pyörii. Roottorikenttä pyörii staattorikentän jälkeen.

Periaatteessa tällainen perustieto on riittävä ymmärtämään yleinen kuva sähkömoottorien toiminnasta. Itse asiassa teollisuus tuottaa kuitenkin erilaisia ​​moottorivaihtoehtojajoiden joukossa ovat:

1. Oravakori tai haavan roottorin induktiomoottori.

2. Synkronimoottori kenttäkäämin tai kestomagneettien kanssa.

3. DC-moottori.

4. Yleiskollektorimoottori (se toimii sekä tasavirralla että vaihtovirralla, koska itse roottorin käämit on kytketty ja irrotettu virtalähteen koskettimista lamellien ja ankkurien suunnittelun vuoksi).

5. Harjattomat tasavirtamoottorit (BLDC).

6. Servos.

7. Askelmoottorit.

Kaksi viimeistä lajia ovat erityisen arvokkaita johtuen mahdollisuudesta niiden tietyssä määrin tarkalle sijainnille avaruudessa. Katsotaanpa lähemmin askelmoottorin suunnittelua.

määritelmä

Askelmoottoria kutsutaan harjattomaksi synkronimoottoriksi. Staattorissa on tietty määrä käämiä, joiden kytkentä aiheuttaa roottorin pyörimään tietyn kulman askelten lukumäärästä riippuen. Toisin sanoen staattorikäämin virta saa akselin pyörimään erillisestä kulmasta.

Kun käämien välinen jännitteen polaarisuus muuttuu tasaisesti ja peräkkäin ja jännitteelliset käämit kytkeytyvät, askelmoottori pyörii kuten tavanomainen sähkömoottori, vaikka itse asiassa säännöllinen kierto kiinteässä kulmassa tapahtuu yksinkertaisesti.

Askelmoottoria kutsutaan joskus moottoriksi. rajallisella määrällä roottorin asentoja. Se ei kuulosta kovin selvältä, selvitetään se. Kuvittele tavanomainen moottori - sen roottorin sijainti ei ole millään tavalla kiinteä, ts. Se pyörii yksinkertaisesti, kun virta on kytketty, ja kun se sammuu, se pysähtyy jonkin ajan kuluttua sen hitaudesta riippuen. Roottorin sijainnit voivat olla niin monta kuin haluat, mutta ne voivat poiketa asteen pienimmistä murroista.

Askelmoottorissa käämin tai useiden käämien yhdistäminen aiheuttaa roottorin ”magnetoinnin” näiden käämien suhteen. Ulkoisesti se näyttää täsmälleen akselin kääntämiseltä tietyssä kulmassa (nousu). Koska portaiden lukumäärä on yksi tämän tyyppisen sähkökäytön tärkeistä ominaisuuksista, roottorin asentojen lukumäärä on yhtä suuri kuin portaiden lukumäärä. Aloittelijoiden on vaikea ymmärtää, miten tämä voi olla ja miten se kiertää tässä tapauksessa - itse asiassa kaikki on melko yksinkertaista, osoitamme tämän alla olevissa kuvissa ja kuvauksissa.

suunnittelu

Virityskäämit on kiinnitetty sähkömoottorin staattoriin. Sen roottori on valmistettu pehmeistä magneettisista tai kovista magneettimateriaaleista. Roottorin materiaali riippuu vääntömomentista ja akselin kiinnityksestä virrattomilla käämeillä. Nämä parametrit voivat olla kriittisiä.

Siksi erotetaan magneettisesti kiinteät roottorit (ne ovat myös kestomagneeteilla) ja magneettisesti pehmeät (reaktiiviset) roottorit, niiden lisäksi on hybridiroottoreita.

Hybridiroottori tehdään hammastettuksi, hampaiden lukumäärä vastaa askelten lukumäärää. Hampaat sijaitsevat roottorin akselia pitkin. Lisäksi tällainen roottori on jaettu kahteen osaan poikittain. Kestomagneetti on asennettu niiden väliin, joten roottorin jokainen puolisko on magneettinapa. On myös sanottava, että puoli roottoria pyörii puoli hampaiden nousua toisiinsa nähden.

Kuten jo mainittiin, tällainen moottori on synkroninen, ja sen pyörimisprosessina on luoda roottorin pyörivä kenttä, jota magneettinen roottori pyrkii, ja tämä toteutetaan vaihtamalla käämit säätimen avulla.

Askelmoottorityypit käämien suunnittelussa on jaettu kolmeen pääryhmään käämien kytkentäkaavion mukaan:

1. Kaksisuuntainen.

2. Yksinapainen.

3. Neljällä käämityksellä.

Useimmissa bipolaarisissa sähkömoottoreissa on 4 kosketinta - nämä ovat johtopäätökset kahdesta käämityksestä. Moottorin sisällä ne eivät yleensä ole kytketty toisiinsa. Pääongelma on, että on tarpeen varmistaa tehon napaisuuden vaihtaminen, mikä tarkoittaa, että ohjain ja itse ohjausprosessit monimutkaistuvat.

Yksipolaarinen muistuttaa käämien liitosta tähtikuvion mukaan. Toisin sanoen, sinulla on 5 johtopäätöstä - 4 niistä on käämien päät ja 1 on kaikkien käämien liitoskohta.

Tällaisen moottorin ohjaamiseksi sinun on vain annettava virta vuorotellen käämin kumpaankin päähän (tai pariin niistä, valitusta pyörimistilasta riippuen), tällä tavalla puolet käämistä saa virtaa joka kerta. Se voi toimia bipolaarisessa tilassa, jos syötät koko käämin kokonaan ohittamalla hanan keskeltä.

4-käämityksisillä moottoreilla on se etu, että voit kytkeä käämit millä tahansa sinulle sopivalla tavalla ja saada sekä bipolaarisen että yksinapaisen moottorin.

Ohjaustilat

Askelmoottorin pääohjaustapoja on 4:

1. Aallon hallinta.

2. Koko askel.

3. Puoli-askel.

4. Mikrovaihe

aalto ohjausta kutsutaan yhden käämin ohjaukseksi. eli samaan aikaan virta virtaa yhden käämin läpi, joten kaksi erityisominaisuutta - pieni virrankulutus (tämä on hyvä) ja pieni vääntömomentti (tämä on huono).

Tässä tapauksessa tämä moottori suorittaa 4 vaihetta yhdessä kierrossa. Oikeat moottorit suorittavat kymmeniä vaiheita yhdessä kierrossa, tämä saavutetaan lukuisilla magneettinapojen vuorotteluilla.

Täyden vaiheen hallinta on yleisimmin käytetty. Tässä jännitettä ei syötetä yhdelle käämille, vaan kahdelle kerrallaan. Jos käämit on kytketty rinnakkain, virta kaksinkertaistuu, ja jos sarjassa, syöttöjännite kaksinkertaistuu. Toisaalta tässä säätömenetelmässä moottori kuluttaa enemmän energiaa, toisaalta 100% vääntömomenttia, toisin kuin edellisessä.

Puoli-askelohjaus On mielenkiintoista, että moottorin akselin sijoittaminen onnistuu tarkemmin, koska puolikkaat lisätään kokonaisiin vaiheisiin, tämä saavutetaan yhdistämällä kaksi edellistä toimintamuotoa ja käämit vaihdetaan, kytkemällä ne sitten pareittain, sitten yksi kerrallaan.

Kannattaa ottaa huomioon, että akselin momentti kelluu 50: stä 100%: iin, riippuen siitä, onko kyseessä yksi vai kaksi kahta käämiä.

Vielä tarkempi on microstepping. Se on samanlainen kuin edellinen, mutta eroaa siinä, että käämien tehoa ei syötetä täysimääräisesti, vaan muuttuu vähitellen. Siten kummankin käämin roottoriin kohdistuva iskunaste muuttuu ja akselin pyörimiskulma vaihtelee tasaisesti.

Mistä saada askelmoottori

Sinulla on aina aikaa ostaa askelmoottori, mutta todelliset radioamatöörit, kotitekoiset ihmiset ja elektroniikkainsinöörit ovat kuuluisia siitä, että he voivat tehdä jotain hyödyllistä roskista. Varmasti sinulla on ainakin yksi askelmoottori kotona. Selvitetään, mistä etsiä löytääkseen tällainen moottori.

1. Tulostin.Askelmoottorit voivat seistä paperinsyöttöakselin pyörimisellä (mutta voi olla myös tasavirtamoottori, jossa on siirtoanturi).

2. Skannerit ja monitoimilaitteet. Skannerit asentavat usein askelmoottorin ja mekaanisen osan, jota pitkin vaunun ohjaimet, nämä osat voivat olla hyödyllisiä myös kotitekoisen CNC-koneen kehittämisessä.

3. CD- ja DVD-asemat. Voit myös hankkia sauvat ja ruuviakselit kotitekoisille tuotteille ja erilaisille CNC: ille.

4. Levykeasemat. Levykkeissä on myös askelmoottorit, etenkin 5,25 tuuman levykkeet.

Askelmoottorin kuljettaja

Askelmoottorien ohjaamiseksi käytä erikoistuneita ohjainmikropiirejä. Lähinnä tämä on transistorien H-silta. Tämän sisällyttämisen ansiosta on mahdollista kytkeä käämille halutun napaisuuden jännite. Nämä sirut soveltuvat myös tasavirtamoottoreiden ohjaamiseen tuella pyörimissuunnan muuttamiseksi.

Periaatteessa hyvin pienet moottorit voidaan käynnistää suoraan mikro-ohjaimen tapista, mutta yleensä ne antavat jopa 20–40 mA, mikä useimmissa tapauksissa ei riitä. Siksi tässä on esimerkkejä askelmoottoreiden ohjaimista:

1. L293D-pohjaiset taulut. Niitä on paljon, yhtä niistä myydään kotimaisella tuotemerkillä Amperka nimellä Troyka Stepper. Esimerkki sen käytöstä todellisessa projektissa esitetään alla olevassa videossa. Tämän nimenomaisen levyn etuna on, että siinä on logiikkapiirejä, jotka voivat vähentää sen ohjaamiseen käytettyjen tapien määrää.

Itse siru toimii 4,5-36 V: n jännitteellä ja tuottaa jopa 600mA-1A: n virran IC-tapauksesta riippuen.

2. A4988-pohjainen ohjain. Sitä saa jopa 35 V: n jännitteellä, kestää jopa 1A: n virran ilman jäähdytinta ja jopa 2A: n patterilla. Se voi ohjata moottoria sekä kokonaisina vaiheina että osittain - vaiheesta 1/16 yhteen vaiheeseen, vain 5 vaihtoehtoa. Sisältää kaksi H-siltaa. Viritysvastuksella (näkyy oikeassa valokuvassa) voit asettaa lähtövirran.

Askelkoko asetetaan signaaleilla tuloissa MS1, MS2, MS3.

Tässä on kytkentäkaavio, jokainen STEP-tulossa oleva pulssi asettaa moottorin pyörittämään 1 askelta tai mikrotason.

3. ULN2003-pohjainen ohjain toimii 5 ja 12 V: n moottoreilla ja tuottaa jopa 500 mA: n virran. Suurimmassa osassa levyjä on 4 LEDiä, jotka osoittavat kunkin kanavan toiminnan.

Myös taululla voit nähdä moottorien kytkentäliittimen, muuten monet niistä myydään tällä liitännällä. Esimerkki tällaisesta moottorista on 5 voltin malli - 28BYJ-48.

Eikä nämä kaikki ole kaikki askelmoottoreiden kuljettajavaihtoehtoja, itse asiassa niitä on vielä enemmän.

Kytkentä Arduino-ohjaimeen ja askelmoottoriin

Useimmissa tapauksissa askelmoottorissa on käytettävä mikro-ohjainta, joka on pari kuljettajan kanssa. Katsotaanpa kytkentäkaavio ja koodiesimerkit. Harkitse yhteyttä viimeisimmän ULN2003-ohjaimen perusteella Arduinon hallitukseen. Ja siten siinä on 4 tuloa, ne allekirjoitetaan IN1, IN2 jne. Ne on kytkettävä Arduino-levyn digitaalisiin nastaihin ja moottori on kytkettävä ohjaimeen alla olevan kuvan osoittamalla tavalla.

Lisäksi, ohjausmenetelmästä riippuen, sinun on käytettävä näiden tappien tuloihin 1 tai 0, mukaan lukien 1 tai 2 käämiä vaaditussa järjestyksessä. Koko askel-ohjausohjelman koodi näyttää suunnilleen tältä:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

tyhjä asennus () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tyhjä silmukka () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

viive (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

viive (dl);

}

 

Se sisältää käämit seuraavassa järjestyksessä:

Tässä on puoli-vaiheen moodin koodi, kuten näette, se on paljon tilavampi, koska siihen liittyy suurempi määrä kytkentäkäämiä.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

tyhjä asennus () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tyhjä silmukka () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

viive (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

viive (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

viive (dl);

}

 

Tämä ohjelma sisältää käämitykset seuraavasti:

Saavutettujen tietojen yhdistämiseksi katso hyödyllinen video:

johtopäätös

Askelmoottorit ovat suosittuja arduinien keskuudessa yhdessä servojen kanssa, koska niiden avulla voit luoda robotteja ja CNC-koneita. Viimeksi mainittua auttaa erittäin halpojen käytettyjen optisten asemien jälkimarkkinoilla.