Ако някога сте имали удоволствието да демонтирате стар принтер, за да спестите електронен компоненти, може да срещнете много цилиндрични мистериозни двигатели с 4 или повече проводници, стърчащи отстрани. Чухте ли типичен звук на настолен 3D принтер или бъги електромеханична симфония на дискове в CD устройство? Ако е така, значи сте изправени пред стъпков мотор!
Стъпковите мотори карат електромеханичния свят да се върти (с по-висок въртящ момент!), Но за разлика от конвенционалния двигател с постоянен ток, контролирането на стъпков двигател изисква малко повече от тока през два проводника. Тази статия ще говори за теорията на дизайна и работата на стъпков двигател. Веднага след като разгледаме основите, авторът на това ръководство ще покаже как да се изграждат прости схеми за управление на стъпкови двигатели и след това как да се използват специални микросхеми на драйвери.
Стъпка 1: Какво прави един мотор стъпков двигател?
Кой може да се нуждае от повече от два проводника и H-мост? Защо? Е, за разлика от конвенционалните двигатели с четка с постоянен ток, изградени за максимална оборота в минута (или kV за RC), стъпкови двигатели са безчеткови двигатели, проектирани за висок въртящ момент (впоследствие по-ниска скорост) и по-точно въртеливо движение. Докато типичният постояннотоков двигател е чудесен за въртене на витлото с висока скорост, за да се постигне максимално сцепление, стъпковият мотор е по-добър за навиване на лист хартия в синхрон с мастиленоструен механизъм вътре в принтера или за внимателно завъртане на линейния вал на релса в мелница с ЦПУ.
Вътре стъпкови двигатели са по-сложни от обикновен постоянен мотор, с няколко намотки около сърцевината с постоянни магнити, но с тази допълнителна сложност се осигурява по-голям контрол. Благодарение на внимателното подреждане на намотките, вградени в статора, роторът на стъпковия двигател може да се върти с дадена стъпка, променяйки полярността между намотките и превключвайки тяхната полярност в съответствие с установената схема на запалване. Не всички стъпкови двигатели са еднакви и за тяхното вътрешно изпълнение са необходими уникални (но основни) схеми. В следващата стъпка ще обсъдим най-често срещаните видове стъпкови двигатели.
Стъпка 2: Видове стъпкови двигатели
Има няколко различни дизайна на стъпкови двигатели. Те включват униполярна, биполярна, универсална и променлива устойчивост. Ще обсъдим дизайна и работата на биполярни и еднополюсни двигатели, тъй като това е най-често срещаният тип двигатели.
Униполарен мотор
Униполярните двигатели обикновено имат пет, шест или осем проводници на проводниците, идващи от основата, и по една намотка на фаза. В случая на петжилен мотор петата жица е свързаните централни кранове на двойките намотки. В шестпроводен двигател всеки чифт намотки има свой централен кран. При осемжилен двигател всяка двойка намотки е напълно отделна от останалите, което позволява свързването й в различни конфигурации. Тези допълнителни проводници ви позволяват да управлявате еднополюсни двигатели директно от външен контролер с прости транзистори, за да управлявате всяка намотка поотделно. Схема за запалване, в която се задвижва всяка намотка, определя посоката на въртене на вала на двигателя. За съжаление, като се има предвид, че едновременно се подава само една намотка, въртящият момент на еднополюсен двигател винаги ще бъде по-малък от този на двуполюсен мотор със същия размер. Преминавайки централните кранове на еднополюсен двигател, той вече може да работи като двуполюсен двигател, но това ще изисква по-сложна схема на управление. В четвъртата стъпка на тази статия ще задвижим еднополюсен двигател, който трябва да изясни някои от представените по-горе понятия.
Двуполюсен двигател
Биполярните двигатели обикновено имат четири проводника и са по-издръжливи от еднополюсния двигател със сравнителен размер, но тъй като имаме само една намотка на фаза, трябва да завъртим тока през бобините, за да преминем една стъпка. Нашата нужда да променим тока означава, че вече няма да можем да контролираме намотките директно с един транзистор, вместо цялостна верига на h-мост. Изграждането на правилния h-мост е досадно (да не говорим за две!), Така че ще използваме специализиран биполярен драйвер (вижте стъпка 5).
Стъпка 3: Разбиране на спецификациите на Stepper Motor
Нека да поговорим за това как да определим спецификациите на двигателя. Ако сте се натъкнали на квадратен двигател със специфичен монтаж от три части (вижте фигура три), най-вероятно това е двигател на NEMA. Националната асоциация на производителите на електроенергия има специфичен стандарт за спецификациите на двигателя, който използва обикновен буквен код, за да определи диаметъра на предната част на двигателя, вида на монтажа, дължината, фазовия ток, работната температура, фазовото напрежение, стъпките на въртене и окабеляването.
Прочетете паспорта на двигателя
За следващата стъпка ще се използва този еднополюсен двигател. По-горе е таблица с данни. И въпреки че е сбит, той ни осигурява всичко необходимо за правилната работа. Нека да разгледаме какво има в списъка:
Фаза: Това е четирифазен еднополюсен двигател. Вътрешно двигателят може да има произволен брой истински намотки, но в този случай те са групирани в четири фази, които могат да се управляват независимо.
Ъглов наклон: С приблизителна резолюция от 1,8 градуса на стъпка, получаваме 200 стъпки на оборот. Въпреки че това е механична разделителна способност, с помощта на микро-кръстовището можем да увеличим тази резолюция без никакви промени в двигателя (повече за това в стъпка 5).
Напрежение: Номиналното напрежение на този мотор е 3 волта. Това е функция на тока и номиналното съпротивление на двигателя (закон на Ом V = IR, следователно 3V = 2A * 1,5Ω)
Ток: от колко ток се нуждае този мотор? Два ампера на фаза! Тази цифра ще бъде важна при избора на нашите силови транзистори за основната управляваща верига.
Съпротивление: 1,5 ома на фаза ще ограничи какъв ток можем да подадем на всяка фаза.
Индуктивност: 2,5 mH. Индуктивният характер на моторните бобини ограничава скоростта на зареждане на бобините.
Момент на задържане: това е колко действителната сила можем да създадем, когато напрежението се приложи към стъпковия мотор.
Момент на задържане: това е какъв момент на задържане можем да очакваме от двигателя, когато той не е захранван.
Изолационен клас: Клас В е част от стандарта NEMA и ни дава оценка от 130 градуса по Целзий. Стъпковите двигатели не са много ефективни, а постоянната консумация на максимален ток означава, че те ще станат много горещи по време на нормална работа.
Индикатори за навиване: диаметър на проводника 0,644 мм., Брой завои в диаметър 15,5, напречно сечение 0,326 мм2
Откриване на двойка намотка
Въпреки че съпротивлението на намотките на бобините може да варира от мотор към мотор, ако имате мултицет, можете да измерите съпротивлението на всеки два проводника, ако съпротивлението е <10 Ома, вероятно сте намерили двойка! Това е процес на пробна грешка, но трябва да работи за повечето двигатели, освен ако нямате номер / номер на спецификация.
Стъпка 4: Директно управление на стъпкови двигатели
Поради разположението на проводниците в еднополюсен двигател, можем последователно да включваме бобините, използвайки само прости MOSFET за захранване. Фигурата по-горе показва проста схема с MOS транзистор. Тази подредба ви позволява просто да контролирате логическото ниво с помощта на външен микроконтролер. В този случай най-лесният начин е да използвате борда на Intel Edison със стилова базова платка. Arduinoза да получите лесен достъп до GPIO (обаче, всеки микро с четири GPIO ще направи). За тази верига се използва NF-канал с висока мощност IRF510. IRF510, способен да консумира до 5,6 ампера, ще има достатъчно свободна мощност, за да отговори на 2 амперни двигателни изисквания. Светодиодите не са необходими, но те ще ви дадат добро визуално потвърждение на последователността на работа. Важно е да се отбележи, че IRF510 трябва да има логическо ниво от поне 5 V, за да може да консумира достатъчно ток за двигателя. Мощността на двигателя в тази верига ще бъде 3 V.
Работна последователност
Пълният контрол на еднополюсен двигател с тази настройка е много прост. За да въртим двигателя, трябва да включим фазите в дадения режим, така че той да се върти правилно. За да въртим двигателя по посока на часовниковата стрелка, ние ще управляваме фазите, както следва: A1, B1, A2, B2. За да се въртим обратно на часовниковата стрелка, ние просто променяме посоката на последователността на B2, A2, B1, A1. Това е добре за основен контрол, но какво ще стане, ако искате повече точност и по-малко работа? Нека да поговорим за използването на специален драйвер, за да направим всичко много по-лесно!
Стъпка 5: Дъски на драйвер за стъпков двигател
Ако искате да започнете да управлявате биполярни двигатели (или еднополюсни двигатели в биполярна конфигурация), трябва да вземете специална табла за управление на водача. Снимката по-горе показва големия лесен шофьор и носещата платка за водача на стъпков мотор A4988. И двете платки са печатни платки за двуполюсния драйвер за стъпков двигател Allegro A4988, който е един от най-разпространените чипове за управление на малки стъпкови двигатели. Освен че разполагат с необходимите двойни h-мостове за управление на биполярен мотор, тези табла предлагат много опции за малки, евтини опаковки.
монтиране
Тези универсални дъски имат невероятно ниска връзка. Можете да започнете да управлявате двигателя, като използвате само три връзки (само две GPIO) с вашия основен контролер: обща земя, стъпка и посока. Стъпката на стъпката и нейната посока остават плаващи, така че трябва да ги свържете към референтното напрежение с резистор за натоварване. Импулсът, изпратен към пина STEP, ще премести двигателя с една стъпка с разделителна способност в съответствие с референтните щифтове на микростъпа. Логическото ниво на щифта DIR определя дали двигателят ще се върти по посока на часовниковата стрелка или обратно.
Microstep двигател
В зависимост от това как са инсталирани щифтовете M1, M2 и M3, можете да постигнете повишена разделителна способност на двигателя чрез микростеп. Микро стъпката включва изпращане на различни импулси за издърпване на двигателя между електромагнитната разделителна способност на физическите магнити в ротора, осигурявайки много прецизен контрол. A4988 може да премине от пълната стъпка до разделителната способност на шестнадесетата стъпка. С нашия 1.8 градусов двигател това ще осигури до 3200 стъпки на оборот. Говорете за малките детайли!
Кодове / библиотеки
Свързването на мотори може да бъде лесно, но какво да кажем за контрола им? Вижте тези готови библиотеки с кодове за управление на стъпкови двигатели:
Stepper - Класическият вграден в Arduino IDE ви позволява да извършите основна стъпка и да контролирате скоростта на въртене.
Accel степер - Много по-пълнофункционална библиотека, която ви позволява да контролирате по-добре няколко двигателя и осигурява правилното ускорение и забавяне на двигателя.
Intel C ++ MRAA Stepper - Библиотека от по-ниско ниво за тези, които искат да се задълбочат в управлението на суровия C ++ стъпков двигател, използвайки Intel Edison.
Тези знания трябва да са достатъчни, за да разберете как да работите със стъпкови мотори в електромеханичния свят, но това е само началото.
