Arduino dan stepper motor: fundamental, skema, sambungan dan kawalan

Motor stepper digunakan untuk mengawal kedudukan sesuatu, atau untuk memutar unit kerja pada kelajuan dan sudut yang diberikan. Ciri-ciri sedemikian membolehkannya menggunakan robotika, mesin dikawal berangka (CNC), dan sistem automasi lain. Dalam artikel ini, kami akan mempertimbangkan beberapa isu yang berkaitan dengan pembinaan motor stepper dan cara mengawalnya menggunakan mikrokontroler Arduino.

Motor stepper berbeza dari biasa

Semua motor elektrik yang digunakan dalam amalan beroperasi disebabkan oleh fenomena elektrodinamik dan proses yang berlaku dalam medan magnet rotor dan stators. Seperti yang telah kami sebutkan, mana-mana enjin terdiri daripada sekurang-kurangnya dua bahagian - mudah alih (pemutar) dan tidak bergerak (stator). Untuk putarannya, medan magnet juga perlu berputar. Medan pemutar berputar selepas medan stator.

Pada dasarnya, maklumat asas sedemikian memadai untuk memahami gambaran umum operasi motor elektrik. Bagaimanapun, sebenarnya, industri menghasilkan pelbagai pilihan motorantaranya ialah:

1. Motor induksi pemutar tupai sangkar atau luka.

2. Motor segerak dengan lilitan medan atau dengan magnet kekal.

3. motor DC.

4. Motor pemungut universal (ia berfungsi pada kedua arus langsung dan arus bolak-balik, kerana gegelung rotor sendiri disambungkan dan diputuskan dari kenalan sumber kuasa kerana reka bentuk lamellas dan sauh).

5. Motor DC Brushless (BLDC).

6. Servos.

7. Motor stepper.

Dua spesies terakhir adalah nilai tertentu, kerana kemungkinan mereka, setakat tertentu, kedudukan yang tepat di ruang angkasa. Mari kita lihat dengan lebih dekat pada reka bentuk motor stepper.

Definisi

Motor stepper dipanggil motor segerak brushless. Sebilangan belitan tertentu terletak di stator, sambungan yang menyebabkan rotor berputar sudut tertentu, bergantung kepada bilangan langkah. Dengan kata lain, arus dalam pemutar stator menyebabkan poros berputar pada sudut diskret.

Dengan perubahan seragam dan berurutan dalam polaritas voltan merentasi lilitan dan pensuisan lilitan bertenaga, motor stepper berputar, sama dengan motor elektrik konvensional, walaupun sebenarnya putaran tetap pada sudut tetap hanya berlaku.

Motor stepper kadang-kadang dipanggil motor. dengan jumlah kedudukan pemutar terhingga. Ia tidak terdengar sangat jelas, katakanlah ia. Bayangkan enjin konvensional - kedudukan rotornya tidak tetap dengan cara apa pun, iaitu, ia hanya berputar semasa kuasa disambungkan, dan apabila ia dimatikan, ia berhenti selepas beberapa lama, bergantung kepada inersianya. Posisi rotor boleh sebanyak mana yang anda suka, tetapi mereka boleh berbeza dengan pecahan terkecil ijazah.

Dalam motor stepper, menyambung penggulungan atau beberapa belitan menyebabkan "magnetisasi" rotor berkenaan dengan belitan ini. Secara kebetulan, ia kelihatan seperti memutar aci pada sudut tertentu (padang). Oleh kerana bilangan langkah adalah salah satu ciri penting pemacu elektrik jenis ini, bilangan kedudukan pemutar adalah sama dengan bilangan langkah. Adalah sukar bagi pemula untuk memahami bagaimana ini, dan bagaimana ia berputar dalam kes ini - sebenarnya, segala-galanya agak mudah, kami akan menunjukkan ini dalam ilustrasi dan deskripsi di bawah.

Pembinaan

Gelombang penggali dipasang pada pemegun motor elektrik. Rotornya diperbuat daripada bahan magnetik magnetik atau keras lembut. Bahan pemutar bergantung kepada torsi dan penetapan aci dengan lilitan de-tenaga. Parameter ini boleh menjadi kritikal.

Oleh itu, rotor padat magnetik (mereka juga mempunyai magnet kekal) dan rotor magnetik (reaktif) dibezakan, di samping mereka terdapat rotor hibrid.

Pemutar hibrid dibuat bergigi, bilangan gigi sepadan dengan bilangan langkah. Gigi terletak di sepanjang paksi pemutar. Selain itu, pemutar tersebut dibahagikan kepada dua bahagian. Magnet tetap dipasang di antara mereka, jadi setiap bahagian rotor adalah tiang magnet. Ia juga harus dikatakan bahawa separuh daripada pemutar berputar setengah padang gigi relatif terhadap satu sama lain.

Seperti yang telah disebutkan, enjin semacam itu adalah segerak, dan proses putarannya adalah untuk mewujudkan medan berputar rotor, yang mana rotor magnetnya bertujuan, dan ini direalisasikan dengan menukar belitan oleh pengawal pada gilirannya.

Jenis motor stepper untuk reka bentuk belitan dibahagikan kepada tiga kumpulan utama mengikut skema sambungan belitan:

1. Bipolar.

2. Unipolar.

3. Dengan empat lilitan.

Kebanyakan motor elektrik bipolar mempunyai 4 kenalan - ini adalah kesimpulan daripada dua belitan. Di dalam enjin, mereka secara besar-besaran tidak dihubungkan dengan satu sama lain. Masalah utama adalah perlu untuk memastikan penukaran kekutuban kuasa, yang bermaksud bahawa pemacu dan proses kawalan itu sendiri akan menjadi lebih rumit.

Unipolar menyerupai sambungan gegelung mengikut corak bintang. Dalam erti kata lain, anda mempunyai 5 kesimpulan - 4 daripadanya adalah hujung gulungan, dan 1 adalah titik sambungan semua lilitan.

Untuk mengawal enjin semacam itu, anda hanya memerlukan bekalan secara bergantian kepada setiap akhir penggulungan (atau beberapa daripada mereka, bergantung pada mod putaran yang dipilih), dengan cara ini separuh penggulungan akan dikuasakan setiap kali. Ia boleh berfungsi dalam mod bipolar, jika anda memberi makan seluruh penggulungan sepenuhnya melangkau paip dari tengahnya.

Motor dengan 4 lilitan mempunyai kelebihan yang anda boleh sambungkan lilitan dengan cara yang mudah untuk anda dan mendapatkan kedua-dua bipolar dan motor unipolar.

Mod kawalan

Terdapat 4 mod kawalan motor stepper utama:

1. Kawalan gelombang.

2. Langkah penuh.

3. Separuh langkah.

4. Microstepping

Volnov kawalan dipanggil kawalan satu penggulungan. I.e. pada masa yang sama, arus mengalir melalui salah satu lilitan, oleh itu dua ciri tersendiri - penggunaan kuasa yang rendah (ini bagus) dan tork rendah (ini tidak baik).

Dalam kes ini, enjin ini mengambil 4 langkah dalam satu revolusi. Motor sebenar mengambil berpuluh-puluh langkah dalam satu revolusi, ini dicapai oleh sebilangan besar kutub magnet.

Pengurusan Langkah Penuh adalah yang paling biasa digunakan. Di sini, voltan dibekalkan bukan kepada satu penggulungan, tetapi kepada dua sekaligus. Jika gegelung disambung secara selari, maka beregu semasa, dan jika dalam siri, voltan bekalan berganda, masing-masing. Di satu pihak, dalam kaedah kawalan ini, enjin menggunakan lebih banyak tenaga, sebaliknya, tork 100%, tidak seperti sebelumnya.

Kawalan separuh langkah Ia menarik kerana ia menjadi lebih baik untuk kedudukan kedudukan aci motor, kerana hakikat bahawa bahagian itu ditambah ke seluruh langkah, ini dicapai dengan menggabungkan dua mod operasi yang terdahulu, dan penggulungan beralih, kemudian beralih secara berpasangan, kemudian satu demi satu.

Perlu dipertimbangkan bahawa momen pada aci mengapung dari 50 hingga 100%, bergantung kepada sama ada 1 atau 2 dua belitan terlibat pada masa ini.

Lebih tepat lagi microstepping. Ia sama dengan yang terdahulu, tetapi berbeza dengan kuasa untuk lilitan tidak dibekalkan sepenuhnya, tetapi secara beransur-ansur berubah. Oleh itu, tahap impak pada pemutar setiap perubahan winding dan sudut putaran aci dalam langkah perantaraan berbeza lancar.

Di mana untuk mendapatkan motor stepper

Anda akan sentiasa mempunyai masa untuk membeli motor stepper, tetapi amatur radio sebenar, orang buatan dan jurutera elektronik terkenal dengan fakta bahawa mereka boleh melakukan sesuatu yang berguna daripada sampah. Sesungguhnya anda mempunyai sekurang-kurangnya satu motor stepper di rumah anda. Mari kita cari di mana hendak melihat untuk mencari enjin sedemikian.

1. Pencetak.Motor stepper boleh berdiri pada putaran aci suapan kertas (tetapi mungkin juga motor DC dengan sensor anjakan).

2. Pengimbas dan MFP. Pengimbas sering memasang motor stepper dan bahagian mekanikal di mana pemandu kereta, bahagian-bahagian ini juga berguna dalam membangun mesin CNC buatan sendiri.

3. Pemacu CD dan DVD. Anda juga boleh mendapatkan rod dan batang skru untuk produk buatan sendiri dan pelbagai CNC di dalamnya.

4. Pemacu floppy. Disk floppy juga mempunyai motor stepper, terutamanya fail floppy dari format 5.25 ".

Pemandu motor Stepper

Untuk mengawal motor stepper menggunakan microcircuits pemandu khusus. Kebanyakannya ini adalah jambatan H-transistor. Terima kasih kepada kemasukan ini, menjadi mungkin untuk menghidupkan voltan kekutuban yang dikehendaki kepada penggulungan. Cip ini juga sesuai untuk mengawal motor DC dengan sokongan untuk mengubah arah putaran.

Pada dasarnya, enjin yang sangat kecil boleh dimulakan secara langsung dari pin mikropengawal, tetapi biasanya mereka memberikan sehingga 20-40 mA, yang dalam kebanyakan kes tidak mencukupi. Oleh itu, berikut adalah beberapa contoh pemandu untuk motor stepper:

1. Lembaga berdasarkan L293D. Terdapat banyak dari mereka, salah satunya dijual di bawah jenama Amperka dalam negeri di bawah nama Troyka Stepper, contoh penggunaannya dalam projek nyata ditunjukkan dalam video di bawah. Kelebihan papan tertentu ini ialah ia mempunyai cip logik yang boleh mengurangkan bilangan pin yang digunakan untuk mengawalnya.

Cip itu sendiri beroperasi di bawah voltan 4.5-36V dan menghasilkan arus sehingga 600mA-1A, bergantung kepada kes IC.

2. Pemandu berdasarkan A4988. Ia dikuasakan oleh voltan sehingga 35V, boleh menahan semasa sehingga 1A tanpa radiator, dan dengan radiator sehingga 2A. Ia dapat mengawal enjin, baik secara keseluruhan dan dalam bahagian - dari 1/16 dari satu langkah hingga 1 langkah, hanya 5 pilihan. Mengandungi dua jambatan H. Menggunakan perintang penalaan (dilihat pada foto yang betul), anda boleh menetapkan arus keluaran.

Saiz langkah ditetapkan oleh isyarat pada input MS1, MS2, MS3.

Berikut adalah gambarajah sambungannya, setiap nadi pada input LANGKAH menetapkan enjin untuk berputar 1 langkah atau microstep.

3. Pemandu berdasarkan ULN2003 berfungsi dengan motor 5 dan 12 V dan mengeluarkan arus sehingga 500 mA. Pada kebanyakan papan, terdapat 4 LED yang menunjukkan operasi setiap saluran.

Juga di papan anda dapat melihat blok terminal untuk menyambungkan motor, dengan cara itu, banyak dari mereka yang dijual dengan penyambung ini. Satu contoh enjin sedemikian adalah model 5V - 28BYJ-48.

Dan ini bukan semua pilihan pemandu untuk motor stepper, sebenarnya ada lebih banyak daripada mereka.

Sambungan kepada pemandu Arduino dan motor stepper

Dalam kebanyakan kes, anda perlu menggunakan pengawal mikropen yang dipasangkan dengan pemandu untuk motor stepper. Mari lihat rajah sambungan dan contoh kod. Pertimbangkan sambungan berdasarkan pemandu terkini yang disenaraikan - ULN2003 ke papan Arduino. Dan ia mempunyai 4 input, mereka ditandatangani sebagai IN1, IN2, dan lain-lain. Mereka perlu disambungkan ke pin digital papan Arduino, dan motor harus disambungkan kepada pemandu seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Selanjutnya, bergantung kepada kaedah kawalan, anda mesti memohon kepada input 1 atau 0 dari pin ini termasuk 1 atau 2 belitan dalam urutan yang diperlukan. Kod untuk program kawalan penuh langkah kelihatan seperti ini:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

kekosongan gelung () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kelewatan (dl);

}

 

Ia termasuk belitan dalam urutan berikut:

Inilah kod untuk mod separuh langkah, seperti yang anda lihat, ia lebih besar, kerana ia melibatkan bilangan lilitan beralih yang lebih besar.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

kekosongan gelung () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kelewatan (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kelewatan (dl);

}

 

Program ini termasuk belitan seperti berikut:

Untuk menyatukan maklumat yang diterima, tonton video yang berguna:

Kesimpulannya

Stepper Motors Adakah Popular Antara Arduins bersama-sama dengan servos, kerana ia membolehkan anda membuat robot dan mesin CNC. Yang terakhir dibantu oleh kelimpahan dalam pasaran sekunder pemacu cakera optik yang digunakan secara super-murah.