Arduino și motorul pas cu pas: fundamentele, schemele, conexiunea și controlul

Motoarele pas cu pas sunt folosite pentru a controla poziția a ceva sau pentru a roti unitatea de lucru la o viteză și unghi dat. Astfel de caracteristici au făcut posibilă utilizarea acesteia în robotică, mașini cu control numeric (CNC) și alte sisteme de automatizare. În acest articol vom lua în considerare o serie de probleme legate de construcția de motoare pas cu pas și cum să le controlăm cu ajutorul microcontrolerului Arduino.

Motorul pas cu pas diferă de cel obișnuit

Toate motoarele electrice utilizate în practică funcționează datorită fenomenelor și proceselor electrodinamice care au loc în câmpurile magnetice ale rotorilor și statorilor. După cum am menționat deja, orice motor este format din cel puțin două părți - mobil (rotor) și nemișcat (stator). Pentru rotirea sa, este necesar ca și câmpul magnetic să se rotească. Câmpul rotorului se rotește după câmpul statorului.

În principiu, astfel de informații de bază sunt suficiente pentru a înțelege imaginea generală a funcționării motoarelor electrice. Cu toate acestea, de fapt, industria produce diverse opțiuni motoriiprintre care se numără:

1. Motor de inducție a rotorului cu cuva de veveriță sau a plăgii.

2. Motor sincron cu înfășurări de câmp sau cu magneți permanenți.

3. Motor DC.

4. Motor colector universal (funcționează atât cu curent continuu, cât și cu curent alternativ, deoarece înfășurările rotorului în sine sunt conectate și deconectate de la contactele sursei de alimentare datorită proiectării lamelelor și ancorelor).

5. Motoare cu curent continuu fără perii (BLDC).

6. Servos.

7. Motoare cu pas.

Ultimele două specii au o valoare deosebită, datorită posibilității de poziționare exactă a acestora în spațiu. Să aruncăm o privire mai atentă la designul motorului pas cu pas.

definiție

Un motor pas cu pas se numește motor sincron fără perie. Un anumit număr de înfășurări este situat pe stator, a cărui conexiune determină rotirea rotorului un anumit unghi, în funcție de numărul de trepte. Cu alte cuvinte, curentul înfășurării statorului face ca arborele să se rotească într-un unghi discret.

Cu o schimbare uniformă și secvențială a polarității tensiunii peste înfășurări și comutarea înfășurărilor electrice, motorul pas cu pas se rotește, similar cu un motor electric convențional, deși pur și simplu are loc o rotație regulată la un unghi fix.

Motorul pas cu pas este numit uneori motor. cu un număr finit de poziții ale rotorului. Nu sună foarte clar, să ne dăm seama. Imaginează-ți un motor convențional - poziția rotorului său nu este fixată în niciun fel, adică pur și simplu se rotește în timp ce este conectată puterea, iar când se oprește, se oprește după ceva timp, în funcție de inerția sa. Pozițiile rotorului pot fi atât de multe pe cât doriți, dar pot diferi cu cele mai mici fracțiuni de un grad.

Într-un motor cu pas, conectarea unei înfășurări sau mai multe înfășurări face ca rotorul să se „magnetizeze” în raport cu aceste înfășurări. În exterior, pare exact rotirea arborelui într-un anumit unghi (pas). Deoarece numărul de trepte este una dintre caracteristicile importante ale acestui tip de acționare electrică, numărul de poziții ale rotorului este egal cu numărul de trepte. Este dificil pentru începători să înțeleagă cum poate fi acest lucru și cum se rotește în acest caz - de fapt, totul este destul de simplu, vom arăta acest lucru în ilustrațiile și descrierile de mai jos.

desen

Înfășurările de excitație sunt fixate pe statorul motorului electric. Rotorul său este fabricat din materiale magnetice moi sau magnetice dure. Materialul rotorului depinde de cuplul și fixarea arborelui cu înfășurări dezactivate. Acești parametri pot fi critici.

Prin urmare, se disting rotori solizi magnetic (sunt și cu magneți permanenți) și rotori magnetici moi (reactivi), pe lângă ei există rotori hibrizi.

Rotorul hibrid este făcut dințat, numărul de dinți corespunde numărului de trepte. Dintii sunt situati de-a lungul axei rotorului. Mai mult, un astfel de rotor este împărțit în două părți. Un magnet permanent este instalat între ele, astfel încât fiecare dintre jumătățile rotorului este un pol magnet. De asemenea, trebuie spus că jumătate din rotor este rotit jumătate din pasul dinților unul față de celălalt.

Așa cum am menționat deja, un astfel de motor este sincron, iar procesul de rotație este acela de a crea un câmp rotativ al rotorului, pe care îl caută rotorul magnetic, iar acest lucru este realizat prin comutarea înfășurărilor de către regulator.

Tipurile de motoare pas cu pas pentru proiectarea înfășurărilor se împart în trei grupe principale în funcție de schema de conectare a înfășurărilor:

1. Bipolare.

2. Unipolar.

3. Cu patru înfășurări.

Majoritatea motoarelor electrice bipolare au 4 contacte - acestea sunt concluzii din două înfășurări. În interiorul motorului, acestea sunt în mare parte neconectate între ele. Principala problemă este că este necesar să se asigure comutarea polarității puterii, ceea ce înseamnă că șoferul și procesul de control în sine vor deveni mai complicate.

Unipolar seamănă cu legătura înfășurărilor după modelul stelei. Cu alte cuvinte, aveți 5 concluzii - 4 dintre ele sunt capetele înfășurărilor, iar 1 este punctul de conectare al tuturor înfășurărilor.

Pentru a controla un astfel de motor, trebuie doar să alimentați alternativ la fiecare capăt al înfășurării (sau câteva dintre ele, în funcție de modul de rotație selectat), în acest fel jumătatea înfășurării va fi alimentată de fiecare dată. Poate funcționa în modul bipolar, dacă alimentați întreaga înfășurare ocolind complet robinetul de la mijlocul său.

Motoarele cu 4 înfășurări au avantajul că puteți conecta înfășurările în orice mod convenabil pentru dvs. și să obțineți un motor bipolar și unipolar.

Moduri de control

Există 4 moduri principale de control al motorului pas cu pas:

1. Controlul undelor.

2. Pas complet.

3. Jumătate de pas.

4. Microstepping

val controlul se numește control al unei înfășurări. Ie în același timp, curentul curge printr-una dintre înfășurări, deci două caracteristici distincte - consum redus de energie (acest lucru este bun) și cuplu redus (acest lucru este rău).

În acest caz, acest motor face 4 pași într-o singură revoluție. Motoarele reale fac zeci de pași într-o singură revoluție, acest lucru este realizat de un număr mare de alternanțe de poli magnetici.

Managementul pasului complet este cel mai des utilizat. Aici, tensiunea este alimentată nu la o înfășurare, ci la două simultan. Dacă înfășurările sunt conectate în paralel, atunci curentul se dublează și, în serie, tensiunea de alimentare se dublează, respectiv. Pe de o parte, în această metodă de control, motorul consumă mai multă energie, pe de altă parte, cuplu 100%, spre deosebire de cel precedent.

Control la jumătate de pas Este interesant prin faptul că devine posibilă poziționarea mai precisă a arborelui motor, datorită faptului că jumătățile sunt adăugate la pași întregi, acest lucru se realizează prin combinarea celor două moduri de funcționare anterioare, iar înfășurările se alternează, apoi se pornește în perechi, apoi pe rând.

Merită luat în considerare faptul că momentul pe arbore plutește de la 50 la 100%, în funcție de momentul în care sunt implicate 1 sau 2 două înfășurări în acest moment.

Și mai exact este microstepping. Este similară cu cea anterioară, dar diferă prin aceea că puterea la înfășurări nu este furnizată pe deplin, ci se schimbă treptat. Astfel, gradul de impact asupra rotorului fiecăreia dintre înfășurări se schimbă și unghiul de rotație al arborelui în trepte intermediare variază lin.

Unde să obțineți un motor pasager

Veți avea întotdeauna timp să cumpărați un motor pas cu pas, dar adevărați amatori de radio, oameni de casă și ingineri electronici sunt renumiți pentru faptul că pot face ceva util din gunoi. Cu siguranță aveți cel puțin un motor cu pas în casă. Să ne dăm seama unde să căutăm pentru a găsi un astfel de motor.

1. Imprimanta.Motoarele pas cu pas pot sta pe rotația arborelui de alimentare cu hârtie (dar poate exista și un motor DC cu senzor de deplasare).

2. Scannere și MFP. Scanerele instalează adesea un motor pas cu pas și o componentă mecanică de-a lungul căreia ghidajul carului, aceste piese pot fi utile și în dezvoltarea unei mașini CNC de casă.

3. Unități CD și DVD. De asemenea, puteți obține tije și arbori cu șuruburi pentru produse de casă și diverse CNC-uri în ele.

4. Unități de dischetă. Dischetele au și motoare pas cu pas, în special fișiere floppy în format 5.25 ”.

Șoferul motorului pasager

Pentru a controla motoarele pas cu pas, utilizați microcircuite șofer specializate. În principal, acesta este un pod H de tranzistoare. Datorită acestei includeri, este posibil să porniți tensiunea polarității dorite la înfășurare. Aceste cipuri sunt potrivite și pentru controlul motoarelor cu curent continuu, cu suport pentru schimbarea direcției de rotație.

În principiu, motoarele foarte mici pot fi pornite direct din pinii microcontrolerului, dar, de obicei, acestea dau până la 20-40 mA, ceea ce în cele mai multe cazuri nu este suficient. De aceea, iată câteva exemple de drivere pentru motoare pas cu pas:

1. Panouri bazate pe L293D. Există multe dintre ele, una dintre ele fiind vândută sub marca internă Amperka sub numele de Troyka Stepper, un exemplu al utilizării sale într-un proiect real este prezentat în videoclipul de mai jos. Avantajul acestei plăci este că are cipuri logice care pot reduce numărul de pini utilizați pentru controlul acesteia.

Cipul în sine funcționează sub o tensiune de 4,5-36V și produce un curent de până la 600mA-1A, în funcție de cazul IC.

2. Driver bazat pe A4988. Este alimentat cu tensiune până la 35V, poate rezista curentului până la 1A fără radiator, și cu un calorifer până la 2A. Poate controla motorul, atât în ​​trepte întregi, cât și în părți - de la 1/16 din pas la 1 pas, doar 5 opțiuni. Conține două punți H. Folosind rezistența de reglare (văzută în fotografia din dreapta), puteți seta curentul de ieșire.

Mărimea pasului este setată de semnalele de la intrările MS1, MS2, MS3.

Iată o diagramă a conexiunii sale, fiecare impuls la intrarea STEP setează motorul să rotească 1 pas sau microstep.

3. Șoferul bazat pe ULN2003 funcționează cu motoare 5 și 12 V și produce un curent de până la 500 mA. Pe majoritatea plăcilor, există 4 LED-uri care indică funcționarea fiecărui canal.

De asemenea, pe placă puteți vedea terminalul pentru conectarea motoarelor, apropo, multe dintre ele sunt vândute cu acest conector. Un exemplu de astfel de motor este un model de 5V - 28BYJ-48.

Și acestea nu sunt toate opțiunile șoferului pentru motoarele cu pas, de fapt există chiar mai multe dintre ele.

Conexiune la șoferul Arduino și motorul pas cu pas

În cele mai multe cazuri, trebuie să utilizați un microcontroler asociat cu un driver pentru un motor pas cu pas. Să ne uităm la diagrama de conexiune și exemple de cod. Luați în considerare o conexiune bazată pe cel mai recent driver listat - ULN2003 la bordul Arduino. Și deci are 4 intrări, sunt semnate ca IN1, IN2 etc. Acestea trebuie conectate la pinii digitali ai plăcii Arduino și un motor trebuie conectat la șofer, așa cum se arată în figura de mai jos.

Mai mult, în funcție de metoda de control, trebuie să aplicați la intrările 1 sau 0 de la ace ace, incluzând 1 sau 2 înfășurări în secvența dorită. Codul programului de control în pas complet arată în felul următor:

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);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

întârziere (dl);

}

 

Include înfășurări în următoarea secvență:

Iată codul pentru modul în jumătate de pas, după cum puteți vedea, este mult mai voluminoasă, deoarece implică un număr mai mare de înfășurări de comutare.

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);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

întârziere (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

întârziere (dl);

}

 

Acest program include înfășurările astfel:

Pentru a consolida informațiile primite, urmăriți videoclipul util:

concluzie

Motoarele pas cu pas sunt populare printre arduini împreună cu servosele, deoarece vă permit să creați roboți și mașini CNC. Acesta din urmă este ajutat de abundența de pe piața secundară a unităților optice de unitate optică super-ieftine.