Arduino i stepper motor: osnove, dijagrami, povezivanje i upravljanje

Steperski motori koriste se za kontrolu položaja nečega ili za zakretanje radne jedinice iz zadane brzine i kuta. Takve značajke omogućile su njegovu uporabu u robotikama, numerički upravljanim strojevima (CNC) i drugim sustavima za automatizaciju. U ovom ćemo članku razmotriti niz pitanja koja se odnose na konstrukciju stepper motora i kako ih upravljati pomoću mikrokontrolera Arduino.

Steper motor razlikuje se od uobičajenog

Svi elektromotora koji se koriste u praksi djeluju zbog elektrodinamičkih pojava i procesa koji se događaju u magnetskim poljima rotora i statora. Kao što smo već spomenuli, bilo koji motor sastoji se od najmanje dva dijela - mobilni (rotor) i nepomični (stator). Za njegovu rotaciju potrebno je da se i magnetsko polje rotira. Polje rotora okreće se nakon polja statora.

U principu, takve osnovne informacije dovoljne su za razumijevanje opće slike rada elektromotora. Međutim, u stvari, industrija proizvodi razne opcije motorameđu kojima su:

1. indukcijski motor s kavezom vjeverica ili rotorom.

2. Sinkroni motor s poljskim namotima ili sa trajnim magnetima.

3. DC motor.

4. Univerzalni kolektorski motor (djeluje i na istosmjernu i na izmjeničnu struju, jer su sami namoti rotora spojeni i odvojeni od kontakata izvora napajanja zbog dizajna lamela i sidra).

5. DC motori bez četkica (BLDC).

6. Servos.

7. Steper motori.

Posljednje dvije vrste imaju posebnu vrijednost zbog mogućnosti njihovog, u određenoj mjeri, preciznog pozicioniranja u prostoru. Pogledajmo pobliže dizajn koračnog motora.

definicija

Stepeni motor naziva se sinhronim motorom bez četkica. Na statoru se nalazi određeni broj namota čiji spoj uzrokuje zakretanje rotora za određeni kut, ovisno o broju koraka. Drugim riječima, struja u namotu statora uzrokuje da se osovina rotira pod diskretnim kutom.

Ravnomjernom i uzastopnom promjenom polariteta napona preko namota i prebacivanjem namotaja namota, stepenički se motor okreće, slično uobičajenom elektromotoru, iako se u stvari redovito odvija rotacija pod fiksnim kutom.

Steper motor se ponekad naziva i motor. s konačnim brojem položaja rotora, Ne zvuči baš jasno, smislimo to. Zamislite konvencionalni motor - položaj njegovog rotora nije ni na koji način fiksiran, odnosno on se jednostavno okreće dok je snaga spojena, a kad se isključi, nakon nekog vremena prestaje, ovisno o njezinoj inerciji. Položaji rotora mogu biti onoliko koliko želite, ali mogu se razlikovati po najmanjim djelovima stupnja.

U koračnom motoru, spajanje namota ili nekoliko namotaja uzrokuje da se rotor "magnetizira" u odnosu na ta namota. Izvana izgleda točno kao okretanje osovine pod određenim kutom (korak). Kako je broj koraka jedna od važnih karakteristika ove vrste električnog pogona, broj položaja rotora jednak je broju koraka. Početnicima je teško shvatiti kako to može biti i kako se rotira u ovom slučaju - zapravo je sve prilično jednostavno, to ćemo pokazati u donjim ilustracijama i opisima.

dizajn

Uzbudna namota učvršćena su na statoru elektromotora. Rotor mu je izrađen od mekih magnetskih ili tvrdih magnetskih materijala. Materijal rotora ovisi o okretnom momentu i pričvršćenju osovine bez namotaja. Ovi parametri mogu biti kritični.

Stoga se razlikuju magnetski kruti rotori (oni su također sa trajnim magnetima) i magnetski mekani (reaktivni) rotori, a uz njih postoje i hibridni rotori.

Hibridni rotor izrađen je nazubljen, broj zubaca odgovara broju koraka. Zubi su smješteni duž osi rotora. Štoviše, takav je rotor podijeljen u dva dijela. Između njih je ugrađen stalni magnet, tako da je svaka polovica rotora magnetni stup. Također treba reći da je polovica rotora zakrenuta polovinom nagiba zuba jedan prema drugom.

Kao što je već spomenuto, takav je motor sinkroniziran, a postupak njegove rotacije je stvaranje rotirajućeg polja rotora, koje magnetski rotor traži, a to se ostvaruje mijenjanjem namotaja regulatora zauzvrat.

Vrste koračnih motora za projektiranje namota dijele se u tri glavne skupine prema shemi povezivanja namotaja:

1. Bipolarni.

2. Unipolarno.

3. Sa četiri namota.

Većina bipolarnih elektromotora imaju 4 kontakta - to su zaključci iz dva namota. Unutar motora oni uglavnom nisu povezani jedan s drugim. Glavni problem je što je potrebno osigurati prebacivanje polariteta snage, što znači da će vozač i sam proces upravljanja postati složeniji.

Unipolarni nalikuju spoju namota prema uzorku zvijezde. Drugim riječima, imate 5 zaključaka - od kojih su 4 krajevi namotaja, a 1 je točka spajanja svih namotaja.

Za upravljanje takvim motorom jednostavno trebate naizmjenično napajati svaki kraj namotaja (ili nekoliko njih, ovisno o odabranom načinu vrtnje), na taj način polovica namotaja će se svaki put napajati. Može raditi u bipolarnom načinu rada, ako cijelo namatanje u potpunosti zaobiđete slavinu od njene sredine.

Motori s 4 namota imaju prednost u tome što namote možete povezati na bilo koji način koji je prikladan za vas i dobiti bipolarni i unipolarni motor.

Načini upravljanja

Postoje 4 glavna načina upravljanja koračnim motorom:

1. Upravljanje valovima.

2. Potpun korak.

3. Pola koraka.

4. Microstepping

val kontrola se naziva kontrola jednog namota. tj u isto vrijeme, struja teče kroz jedan od namotaja, odatle dvije karakteristike - niska potrošnja električne energije (ovo je dobro) i mali obrtni moment (ovo je loše).

U ovom slučaju ovaj motor čini 4 koraka u jednom okretaju. Pravi motori u jednoj revoluciji naprave desetke koraka, a to se postiže velikim brojem izmjena magnetskih polova.

Potpuno upravljanje korakom najčešće se koristi. Ovdje se napon napaja ne na jedno navijanje, već na dva odjednom. Ako su namotaji spojeni paralelno, tada se struja udvostručuje, a ako su u nizu, napon napajanja udvostručuje. S jedne strane, u ovoj metodi upravljanja, motor troši više energije, s druge strane, 100% okretnog momenta, za razliku od prethodne.

Kontrola u pola koraka Zanimljivo je što postaje moguće preciznije pozicionirati osovinu motora, zbog činjenice da su polovice dodane cijelim koracima, to se postiže kombiniranjem prethodna dva načina rada, a namotaji se izmjenjuju, zatim se uključuju u paru, a zatim jedan po jedan.

Vrijedno je uzeti u obzir da trenutak na osovini lebdi od 50 do 100%, ovisno o tome jesu li u ovom trenutku uključena 1 ili 2 dva namota.

Još je preciznije microstepping, Slično je s prethodnim, ali razlikuje se po tome što se snaga namotima ne daje u cijelosti, već se postupno mijenja. Dakle, stupanj utjecaja na rotor svakog od namota mijenja se, a kut rotacije osovine u međufaznim stupnjevima neometano varira.

Gdje nabaviti stepper motor

Uvijek ćete imati vremena za kupnju stepper motora, ali pravi radioamateri, domaći ljudi i inženjeri elektronike poznati su po tome što iz smeća mogu napraviti nešto korisno. Sigurno imate u kući najmanje jedan stepper. Razmislimo gdje potražiti kako bismo pronašli takav motor.

1. Pisač.Stupni motori mogu stajati na rotaciji vratila za uvlačenje papira (ali može postojati i istosmjerni motor s senzorom pomaka).

2. Skeneri i višenamjenski uređaji. Skeneri često ugrađuju stepper motor i mehanički dio duž kojeg se nosač vodi, ti dijelovi mogu biti korisni i u razvoju domaćeg CNC stroja.

3. CD i DVD pogoni. U njima možete dobiti i šipke i vijčane osovine za domaće proizvode i razne CNC-ove.

4. diskete. Disketi imaju i stepper motore, posebno diskete formata 5,25 ”.

Vozač koračnog motora

Za kontrolu koračnih motora koristite specijalizirane mikro-sklopove vozača. Uglavnom je ovo H-most tranzistora. Zahvaljujući ovom uključivanju, moguće je uključiti napon željene polarnosti u namatanje. Ovi čipovi su također prikladni za upravljanje istosmjernim motorima s podrškom za promjenu smjera vrtnje.

U principu, vrlo mali motori se mogu pokrenuti izravno iz igle mikrokontrolera, ali obično daju do 20-40 mA, što u većini slučajeva nije dovoljno. Stoga evo nekoliko primjera pokretača za stepper motore:

1. Ploče na temelju L293D. Ima ih puno, jedan se prodaje pod domaćim brendom Amperka pod imenom Troyka Stepper, primjer njegove uporabe u stvarnom projektu prikazan je u videu ispod. Prednost ove ploče je da ima logičke čipove koji mogu smanjiti broj igara korištenih za kontrolu.

Sam čip djeluje pod naponom od 4,5-36V i proizvodi struju do 600mA-1A, ovisno o IC slučaju.

2. Vozač temeljen na A4988. Napaja se naponom do 35V, može izdržati struju do 1A bez radijatora, a s radijatorom do 2A. Može upravljati motorom, u cijelim koracima i dijelovima - od 1/16 koraka do 1 koraka, samo 5 opcija. Sadrži dva H-mosta. Pomoću podešavanja otpornika (vidi se na desnoj fotografiji) možete postaviti izlaznu struju.

Veličinu koraka postavljaju signali na ulazima MS1, MS2, MS3.

Slijedi dijagram njegove povezanosti, svaki impuls na STEP ulazu postavlja motor da se okreće za 1 korak ili mikro korak.

3. Vozač temeljen na ULN2003 radi s motorima od 5 i 12 V i proizvodi struju do 500 mA. Na većini ploča postoje 4 LED diode koje označavaju rad svakog kanala.

Također na ploči možete vidjeti terminalni blok za spajanje motora, usput, mnogi od njih se prodaju s ovim priključkom. Primjer takvog motora je 5V model - 28BYJ-48.

I to nisu sve mogućnosti vozača za stepper motore, u stvari, ima ih još više.

Priključak na Arduino pokretač i stepper motor

U većini slučajeva za koračni motor morate koristiti mikrokontroler uparen s upravljačkim programom. Pogledajmo dijagram veze i primjere kodova. Razmotrite vezu na temelju najnovijeg navedenog upravljačkog programa - ULN2003 do ploče Arduino, I tako ima 4 ulaza, potpisani su kao IN1, IN2 itd. Potrebno ih je povezati s digitalnim pinovima Arduino ploče, a motor treba biti povezan s upravljačkim programom, kao što je prikazano na donjoj slici.

Nadalje, ovisno o upravljačkoj metodi, morate primijeniti na ulaze 1 ili 0 ovih pinova, uključujući 1 ili 2 namotaja u željenom slijedu. Kôd za kontrolni program u cijelom koraku izgleda ovako:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

poništavanje postave () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void petlja () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kašnjenje (dl);

}

 

To uključuje namotaje u sljedećem slijedu:

Slijedi kôd za način rada u pola koraka, kao što vidite, mnogo je opsežniji, jer uključuje veći broj preklopnih namotaja.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

poništavanje postave () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void petlja () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kašnjenje (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kašnjenje (dl);

}

 

Ovaj program uključuje sljedeće namotaje:

Za konsolidaciju dobivenih informacija pogledajte korisni videozapis:

zaključak

Steper motori popularni su među Arduinima uz servo, jer vam omogućuju izradu robota i CNC strojeva. Potonjem pomaže obilje na sekundarnom tržištu super jeftinih rabljenih optičkih pogona.