Arduino un pakāpju motors: pamati, shēmas, savienojums un vadība

Pakāpju motori tiek izmantoti, lai kontrolētu kaut ko pozīciju vai pagrieztu darba vienību noteiktā ātrumā un leņķī. Šādas funkcijas ļāva to izmantot robotikā, skaitliski vadāmās mašīnās (CNC) un citās automatizācijas sistēmās. Šajā rakstā mēs apskatīsim vairākus jautājumus, kas saistīti ar pakāpju motoru uzbūvi un to, kā tos kontrolēt, izmantojot Arduino mikrokontrolleri.

Stepper motors atšķiras no parastā

Visi praksē izmantotie elektromotori darbojas elektrodinamisko parādību un procesu dēļ, kas notiek rotoru un statoru magnētiskajos laukos. Kā mēs jau minējām, jebkurš motors sastāv no vismaz divām daļām - mobilā (rotora) un nekustīgā (statora). Tās rotācijai ir nepieciešams, lai arī magnētiskais lauks grieztos. Rotora lauks griežas pēc statora lauka.

Principā šāda pamatinformācija ir pietiekama, lai izprastu kopējo elektromotoru darbības ainu. Tomēr faktiski rūpniecība ražo dažādas motora iespējasstarp kuriem ir:

1. Vāveres būra vai rotora indukcijas motors.

2. Sinhronais motors ar lauka tinumiem vai ar pastāvīgajiem magnētiem.

3. Līdzstrāvas motors.

4. Universālais kolektora motors (tas darbojas gan līdzstrāvai, gan maiņstrāvai, jo paši rotora tinumi ir savienoti un atvienoti no enerģijas avota kontaktiem, pateicoties lamelām un enkuriem).

5. Bezkontaktu līdzstrāvas motori (BLDC).

6. Servos.

7. Pakāpju motori.

Divām pēdējām sugām ir īpaša vērtība, ņemot vērā iespēju, ka tās zināmā mērā var precīzi novietot telpā. Sīkāk apskatīsim pakāpju motora dizainu.

Definīcija

Pakāpju motoru sauc par sinhronu motoru bez suku. Statoram ir noteikts skaits tinumu, kuru savienojums izraisa rotora pagriešanos noteiktā leņķī, atkarībā no soļu skaita. Citiem vārdiem sakot, strāva statora tinumā izraisa vārpstas griešanos diskrētā leņķī.

Ar vienmērīgām un secīgām sprieguma polaritātes izmaiņām pāri tinumiem un ar ieslēgtu tinumu pārslēgšanu pakāpiena motors griežas, līdzīgi kā parastais elektromotors, lai gan faktiski regulāra griešanās fiksētā leņķī vienkārši notiek.

Stepper motoru dažreiz sauc par motoru. ar ierobežotu rotora pozīciju skaitu. Tas neizklausās pilnīgi skaidri, izdomāsim to. Iedomājieties parasto motoru - tā rotora pozīcija nekādā veidā nav fiksēta, tas ir, tas vienkārši griežas, kamēr strāva ir pievienota, un, izslēdzoties, pēc kāda laika apstājas, atkarībā no tā inerces. Rotora pozīcijas var būt tik daudz, cik vēlaties, bet tās var atšķirties pēc mazākām grāda frakcijām.

Pakāpju motorā, savienojot tinumu vai vairākus tinumus, rotors “magnetizējas” attiecībā pret šiem tinumiem. Ārēji tas izskatās tieši tāpat kā vārpstas pagriešana noteiktā leņķī (solis). Tā kā pakāpienu skaits ir viens no svarīgiem šāda veida elektriskās piedziņas raksturlielumiem, rotora pozīciju skaits ir vienāds ar pakāpju skaitu. Iesācējiem ir grūti saprast, kā tas var būt un kā tas griežas šajā gadījumā - patiesībā viss ir pavisam vienkārši, mēs to parādīsim ilustrācijās un aprakstos zemāk.

Būvniecība

Uz elektromotora statora tiek fiksēti ierosmes tinumi. Tās rotors ir izgatavots no mīkstiem magnētiskiem vai cietiem magnētiskiem materiāliem. Rotora materiāls ir atkarīgs no griezes momenta un vārpstas fiksācijas ar tinumu bez enerģijas. Šie parametri var būt kritiski.

Tāpēc izšķir magnētiski cietos rotorus (tie ir arī ar pastāvīgajiem magnētiem) un magnētiski mīkstos (reaktīvos) rotorus, papildus tiem ir arī hibrīdi.

Hibrīdais rotors ir izgatavots ar zobiem, zobu skaits atbilst pakāpju skaitam. Zobi atrodas gar rotora asi. Turklāt šāds rotors ir sadalīts divās daļās. Starp tiem ir uzstādīts pastāvīgais magnēts, tāpēc katra no rotora pusēm ir magnēta pole. Jāsaka arī, ka puse no rotora ir pagriezta uz pusi zobiem attiecībā pret otru.

Kā jau minēts, šāds motors ir sinhrons, un tā rotācijas process ir tāda rotora rotējoša lauka izveidošana, uz kuru tiecas magnētiskais rotors, un tas tiek realizēts, pārslēdzot tinumus ar kontroliera palīdzību.

Pakāpju motoru tipi tinumu projektēšanai ir sadalīti trīs galvenajās grupās atbilstoši tinumu savienojuma shēmai:

1. Bipolāri.

2. vienpolu.

3. Ar četriem tinumiem.

Lielākajai daļai bipolāru elektromotoru ir 4 kontakti - tie ir secinājumi no diviem tinumiem. Motora iekšienē tie lielākoties nav savienoti viens ar otru. Galvenā problēma ir tāda, ka ir jānodrošina jaudas polaritātes pārslēgšana, kas nozīmē, ka vadītājs un pats vadības process kļūs sarežģītāks.

Unipolāri pēc zvaigznes modeļa atgādina tinumu savienojumu. Citiem vārdiem sakot, jums ir 5 secinājumi - 4 no tiem ir tinumu gali, un 1 ir visu tinumu savienojuma punkts.

Lai vadītu šādu motoru, jums tikai pārmaiņus jāpiegādā strāva katram tinuma galam (vai dažiem no tiem, atkarībā no izvēlētā griešanās režīma), tādējādi puse tinuma katru reizi tiks darbināta. Tas var darboties bipolārā režīmā, ja visu tinumu padevi, pilnībā apejot krānu no tā vidus.

Motora ar 4 tinumiem priekšrocība ir tā, ka tinumus var savienot jebkurā jums ērtā veidā un iegūt gan bipolāru, gan vienpolu motoru.

Kontroles režīmi

Ir 4 galvenie pakāpju motora vadības režīmi:

1. Viļņu vadība.

2. Pilns solis.

3. Puspakāpiens.

4. Microstepping

Volnovs vadību sauc par viena tinuma vadību. T. i. tajā pašā laikā strāva plūst caur vienu no tinumiem, tāpēc ir divas atšķirīgas iezīmes - mazs enerģijas patēriņš (tas ir labs) un mazs griezes moments (tas ir slikts).

Šajā gadījumā šis motors veic 4 soļus vienā apgriezienā. Īstie motori vienā apgriezienā veic desmitiem soļu, to panāk ar lielu skaitu magnētisko polu maiņu.

Pilna soļa vadība ir visbiežāk izmantotais. Šeit spriegums tiek piegādāts nevis vienam tinumam, bet gan diviem uzreiz. Ja tinumi ir savienoti paralēli, tad strāva divkāršojas, un, ja virknē, tad barošanas spriegums attiecīgi divkāršojas. No vienas puses, šajā vadības metodē motors patērē vairāk enerģijas, no otras puses, 100% griezes momenta, atšķirībā no iepriekšējā.

Puspakāpju vadība Tas ir interesanti ar to, ka kļūst iespējams precīzāk novietot motora vārpstu, ņemot vērā faktu, ka veselām pakāpēm tiek pievienotas puses, tas tiek panākts, apvienojot iepriekšējos divus darbības režīmus, un tinumi mainās, pēc tam ieslēdzoties pa pāriem, pēc tam pa vienam.

Ir vērts uzskatīt, ka moments uz vārpstas peld no 50 līdz 100%, atkarībā no tā, vai šobrīd ir iesaistīti 1 vai 2 divi tinumi.

Vēl precīzāks ir mikropakāpieni. Tas ir līdzīgs iepriekšējam, bet atšķiras ar to, ka tinumu jauda netiek piegādāta pilnā apjomā, bet pakāpeniski mainās. Tādējādi mainās trieciena pakāpe uz katra tinuma rotoru, un vārpstas rotācijas leņķis starpposmos mainās vienmērīgi.

Kur iegūt stepper motoru

Jums vienmēr būs laiks iegādāties pakāpju motoru, bet īsti radioamatieri, mājas cilvēki un elektronikas inženieri ir slaveni ar to, ka viņi no atkritumiem var darīt kaut ko noderīgu. Protams, jūsu mājās ir vismaz viens pakāpju motors. Izdomāsim, kur meklēt, lai atrastu šādu motoru.

1. Printeris.Pakāpju motori var stāvēt uz papīra padeves vārpstas griešanās (bet var būt arī līdzstrāvas motors ar pārvietojuma sensoru).

2. Skeneri un MFP. Skeneros bieži tiek uzstādīts pakāpju motors un mehāniskā daļa, pa kuru ved karietes, šīs detaļas var būt noderīgas arī mājas apstākļos izstrādātas CNC mašīnas izstrādē.

3. CD un DVD diskdziņi. Jūs varat arī iegūt stieņus un skrūvju vārpstas pašdarinātiem izstrādājumiem un dažādiem CNC tajos.

4. Diskešu piedziņa. Disketēm ir arī pakāpju motori, īpaši 5,25 ”formāta diskešu faili.

Pakāpju motora vadītājs

Lai vadītu pakāpju motorus, izmantojiet specializētas vadītāja mikroshēmas. Galvenokārt tas ir tranzistoru H tilts. Pateicoties šai iekļaušanai, kļūst iespējams ieslēgt tinuma vēlamās polaritātes spriegumu. Šīs mikroshēmas ir piemērotas arī līdzstrāvas motoru vadībai ar atbalstu rotācijas virziena mainīšanai.

Principā ļoti mazus motorus var iedarbināt tieši no mikrokontrollera tapām, bet parasti tie dod līdz 20–40 mA, kas vairumā gadījumu nav pietiekams. Tāpēc šeit ir daži soļu motoru vadītāju piemēri:

1. Plātnes, kuru pamatā ir L293D. To ir daudz, viens no tiem tiek pārdots ar vietējā zīmola Amperka vārdu ar nosaukumu Troyka Stepper, tā izmantošanas piemērs reālā projektā ir parādīts zemāk esošajā video. Šīs konkrētās plates priekšrocība ir tā, ka tajā ir loģikas mikroshēmas, kas var samazināt tapu skaitu, ko izmanto tās vadīšanai.

Pati mikroshēma darbojas zem sprieguma 4,5-36V un rada strāvu līdz 600mA-1A, atkarībā no IC gadījuma.

2. A4988 bāzes autovadītājs. To darbina ar spriegumu līdz 35V, var izturēt strāvu līdz 1A bez radiatora un ar radiatoru līdz 2A. Tas var vadīt motoru gan veselos posmos, gan pa daļām - no 1/16 pakāpiena līdz 1 pakāpienam, tikai 5 iespējas. Satur divus H-tiltus. Izmantojot tuning rezistoru (redzams labajā fotoattēlā), jūs varat iestatīt izejas strāvu.

Soļa lielumu nosaka signāli pie ieejām MS1, MS2, MS3.

Šeit ir tā savienojuma shēma, katrs impulss STEP ieejā nosaka motora pagriešanos par 1 soli vai mikroliecienu.

3. Vadītājs, kura pamatā ir ULN2003, strādā ar 5 un 12 V motoriem un rada strāvu līdz 500 mA. Lielākajā daļā dēļu ir 4 gaismas diodes, kas norāda katra kanāla darbību.

Arī uz tāfeles var redzēt spaiļu bloku motoru savienošanai, starp citu, daudzi no tiem tiek pārdoti ar šo savienotāju. Šāda motora piemērs ir 5 V modelis - 28BYJ-48.

Un tie nav visi pakāpju motoru vadītāja varianti, patiesībā to ir vēl vairāk.

Savienojums ar Arduino vadītāju un pakāpju motoru

Vairumā gadījumu pakāpju motoram ir jāizmanto mikrokontrollers, kas ir savienots pārī ar draiveri. Apskatīsim savienojuma shēmu un koda piemērus. Apsveriet savienojumu, pamatojoties uz jaunāko uzskaitīto draiveri - ULN2003 uz Arduino padomi. Tātad tam ir 4 ieejas, tie ir parakstīti kā IN1, IN2 utt. Viņiem jābūt savienotiem ar Arduino plates digitālajiem tapām, un vadītājam jābūt savienotam ar motoru, kā parādīts attēlā zemāk.

Turklāt atkarībā no vadības metodes jums jāpiesakās 1. vai 0. ievadei no šīm tapām, ieskaitot 1 vai 2 tinumus vajadzīgajā secībā. Pilna soļa vadības programmas kods izskatās apmēram šādi:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

Nederīga iestatīšana () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tukšs cilpa () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kavēšanās (dl);

}

 

Tajā ietilpst tinumi šādā secībā:

Šeit redzams puspakāpju režīma kods, kā redzat, tas ir daudz apjomīgāks, jo tas ietver lielāku pārslēgšanas tinumu skaitu.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

Nederīga iestatīšana () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tukšs cilpa () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kavēšanās (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

kavēšanās (dl);

}

 

Šajā programmā ir šādi tinumi:

Lai konsolidētu saņemto informāciju, noskatieties noderīgo videoklipu:

Secinājums

Stepper motori ir populāri Arduins vidū kopā ar servos, jo tie ļauj jums izveidot robotus un CNC mašīnas. Pēdējo palīdz ārkārtīgi lēto lietoto optisko diskdziņu piedziņa sekundārajā tirgū.