Arduino og stepper motor: grunnleggende, diagrammer, tilkobling og kontroll

Trinnmotorer brukes til å kontrollere posisjonen til noe, eller for å rotere arbeidsenheten med en gitt hastighet og vinkel. Slike funksjoner gjorde det mulig å bruke det i robotikk, numerisk styrte maskiner (CNC) og andre automatiseringssystemer. I denne artikkelen vil vi vurdere en rekke spørsmål relatert til konstruksjon av trinnmotorer og hvordan du kan kontrollere dem ved hjelp av Arduino mikrokontroller.

Trinnmotor skiller seg fra vanlig

Alle elektriske motorer som brukes i praksis fungerer på grunn av elektrodynamiske fenomener og prosesser som oppstår i magnetfeltene til rotorer og statorer. Som vi allerede har nevnt, består enhver motor av minst to deler - mobil (rotor) og bevegelsesfri (stator). For sin rotasjon er det nødvendig at magnetfeltet også roterer. Rotorfeltet roterer etter statorfeltet.

I prinsippet er slik grunnleggende informasjon tilstrekkelig for å forstå det generelle bildet av driften av elektriske motorer. Imidlertid produserer industrien forskjellige motoralternativerhvorav er:

1. Ekornmotor eller sårrotor induksjonsmotor.

2. Synkronmotor med feltviklinger eller med permanente magneter.

3. DC-motor.

4. Universal kollektormotor (den fungerer på både likestrøm og vekselstrøm, fordi rotorviklingene i seg selv er koblet og koblet fra kontaktene til strømkilden på grunn av utformingen av lameller og forankringer).

5. Børsteløse likestrømsmotorer (BLDC).

6. Servoer.

7. Trinnmotorer.

De to siste artene er av spesiell verdi på grunn av muligheten for at de til en viss grad har nøyaktig plassering i rommet. La oss se nærmere på designen til trinnmotoren.

definisjon

En trinnmotor kalles en børsteløs synkronmotor. Et visst antall viklinger er plassert på statoren, hvis tilkobling fører til at rotoren roterer en viss vinkel, avhengig av antall trinn. Med andre ord, strømmen i statorviklingen får akselen til å rotere i en diskret vinkel.

Med en jevn og sekvensiell forandring i polariteten til spenningen over viklingene og koblingen av de aktiverte viklingene, roterer trinnmotoren, som ligner på en vanlig elektrisk motor, selv om faktisk en vanlig rotasjon i en fast vinkel ganske enkelt finner sted.

Trinnmotoren kalles noen ganger motoren. med et begrenset antall rotorposisjoner. Det høres ikke veldig tydelig ut, la oss finne ut av det. Se for deg en konvensjonell motor - stillingen til rotoren er ikke fast på noen måte, det vil si at den ganske enkelt roterer mens strømmen er tilkoblet, og når den slås av, stopper den etter litt tid, avhengig av treghet. Posisjonene til rotoren kan være så mange du vil, men de kan variere med de minste brøkene av en grad.

I en trinnmotor får kobling av en vikling eller flere viklinger rotoren til å "magnetisere" med hensyn til disse viklingene. Utad ser det ut som å vri akselen i en viss vinkel (stigning). Siden antall trinn er en av de viktige egenskapene til denne typen elektrisk drivenhet, er antall rotorposisjoner lik antall trinn. Det er vanskelig for nybegynnere å forstå hvordan dette kan være, og hvordan det roterer i dette tilfellet - faktisk er alt ganske enkelt, vi vil vise dette i illustrasjonene og beskrivelsene nedenfor.

utforming

Excitasjonsviklinger er festet på statoren til den elektriske motoren. Rotoren er laget av myke magnetiske eller harde magnetiske materialer. Materialet til rotoren avhenger av dreiemomentet og fikseringen av akselen med strømforsyede viklinger. Disse parametrene kan være kritiske.

Derfor skilles magnetiske solide rotorer (de er også med permanente magneter) og magnetisk myke (reaktive) rotorer, i tillegg til dem er det hybridrotorer.

Hybridrotoren er laget tannet, antall tenner tilsvarer antall trinn. Tennene er plassert langs rotoren. Dessuten er en slik rotor delt i to deler på tvers. En permanent magnet er installert mellom dem, så hver av rotorens halvdeler er en magnetpol. Det skal også sies at halvparten av rotoren roteres halve tennens stigning i forhold til hverandre.

Som allerede nevnt er en slik motor synkron, og prosessen med å rotere den er å skape et roterende felt for rotoren, som den magnetiske rotoren søker, og dette realiseres ved å svinge viklingene av regulatoren etter tur.

Typer trinnmotorer for utforming av viklinger er delt inn i tre hovedgrupper i henhold til tilkoblingsskjemaet til viklingene:

1. Bipolar.

2. Unipolar.

3. Med fire viklinger.

De fleste bipolare elektriske motorer har 4 kontakter - dette er konklusjoner fra to viklinger. Inni i motoren er de stort sett ikke koblet til hverandre. Hovedproblemet er at det er nødvendig å sikre bytte av kraftpolaritet, noe som betyr at driveren og selve kontrollprosessen blir mer komplisert.

Unipolar ligner tilkoblingen av viklingene i henhold til mønsteret til stjernen. Med andre ord har du 5 konklusjoner - 4 av dem er endene på viklingene, og 1 er tilkoblingspunktet for alle viklingene.

For å styre en slik motor, trenger du bare vekselvis å levere strøm til hver ende av viklingen (eller et par av dem, avhengig av valgt rotasjonsmodus), på denne måten vil halvparten av viklingen være på hver gang. Den kan fungere i bipolar modus, hvis du mater hele viklingen helt utenom kranen fra midten.

Motorer med 4 viklinger har fordelen at du kan koble viklingene på en hvilken som helst praktisk måte for deg og få både en bipolar og en unipolar motor.

Kontrollmodus

Det er fire hovedtilstander for trinnmotor:

1. Bølgekontroll.

2. Full trinn.

3. Halvtrinn.

4. Mikroskopi

bølge kontroll kalles kontroll av en vikling. dvs. samtidig strømmer strømmen gjennom en av viklingene, derav to særpreg - lavt strømforbruk (dette er bra) og lavt dreiemoment (dette er dårlig).

I dette tilfellet tar denne motoren fire trinn i en revolusjon. Ekte motorer tar dusinvis av trinn i en revolusjon, dette oppnås ved et stort antall vekslinger av magnetiske poler.

Full trinn ledelse er den mest brukte. Her tilføres spenningen ikke til en vikling, men til to samtidig. Hvis viklingene er koblet parallelt, dobler strømmen seg, og hvis den er i serie, fordobles forsyningsspenningen. På den ene siden bruker denne kontrollmetoden mer energi, på den annen side 100% dreiemoment, i motsetning til den forrige.

Halvtrinns kontroll Det er interessant ved at det blir mulig å plassere motorakslen mer nøyaktig, på grunn av det faktum at halvdeler er lagt til hele trinn, oppnås dette ved å kombinere de to foregående driftsformene, og viklingene veksler, og deretter slås på par, deretter en om gangen.

Det er verdt å vurdere at øyeblikket på skaftet flyter fra 50 til 100%, avhengig av om 1 eller 2 to viklinger er involvert for øyeblikket.

Enda mer nøyaktig er det microstepping. Den er lik den forrige, men skiller seg ut ved at kraften til viklingene ikke tilføres i full grad, men gradvis endres. Dermed endres påvirkningsgraden på rotoren til hver av viklingene og rotasjonsvinkelen til akselen i mellomtrinn.

Hvor får du en stepper motor

Du vil alltid ha tid til å kjøpe en trinnmotor, men ekte radioamatører, hjemmelagde mennesker og elektroniske ingeniører er kjent for at de kan gjøre noe nyttig ut av søpla. Sikkert har du minst en trinnmotor hjemme. La oss finne ut hvor vi skal lete for å finne en slik motor.

1. Skriveren.Trinnmotorer kan stå på rotasjonen av papirmateringsakselen (men det kan også være en likestrømsmotor med en forskyvningssensor).

2. Skannere og multifunksjonsmaskiner. Skannere installerer ofte en trinnmotor og en mekanisk del som vognen fører langs, og disse delene kan også være nyttige når du skal utvikle en hjemmelaget CNC-maskin.

3. CD- og DVD-stasjoner. Du kan også få stenger og skruejakter for hjemmelagde produkter og forskjellige CNCer i dem.

4. Disketter. Diskettene har også trinnmotorer, spesielt diskettfiler i 5,25 ”-format.

Stepper motor driver

For å kontrollere trinnmotorene, bruk spesialiserte drivermikrokretser. Stort sett er dette en H-bro av transistorer. Takket være denne inkluderingen blir det mulig å slå på spenningen til ønsket polaritet til viklingen. Disse brikkene er også egnet for styring av likestrømsmotorer med støtte for å endre rotasjonsretningen.

I prinsippet kan veldig små motorer startes direkte fra pinnene på mikrokontrolleren, men vanligvis gir de opp til 20-40 mA, noe som i de fleste tilfeller ikke er nok. Derfor er her noen eksempler på drivere for trinnmotorer:

1. Tavler basert på L293D. Det er mange av dem, en av dem selges under det innenlandske merket Amperka under navnet Troyka Stepper, et eksempel på bruken i et ekte prosjekt vises i videoen nedenfor. Fordelen med dette brettet er at det har logikkbrikker som kan redusere antall pinner som brukes til å kontrollere det.

Selve brikken fungerer under en spenning på 4,5-36V og produserer en strøm på opptil 600 mA-1A, avhengig av IC-saken.

2. A4988-basert driver. Den drives av spenning opptil 35V, tåler strøm opptil 1A uten radiator, og med en radiator opp til 2A. Den kan kontrollere motoren, både i hele trinn og i deler - fra 1/16 av et trinn til 1 trinn, bare 5 alternativer. Inneholder to H-broer. Ved hjelp av avstemningsmotstanden (sett på høyre foto) kan du stille inn utgangsstrømmen.

Trinnstørrelsen settes av signalene ved inngangene MS1, MS2, MS3.

Her er et diagram over tilkoblingen, hver puls ved STEP-inngangen setter motoren til å rotere 1 trinn eller en mikrostep.

3. Driveren basert på ULN2003 jobber med 5 og 12 V motorer og produserer en strøm på opptil 500 mA. På de fleste tavler er det 4 lysdioder som indikerer driften av hver kanal.

Også på brettet kan du se terminalblokken for tilkobling av motorer, forresten, mange av dem selges med denne kontakten. Et eksempel på en slik motor er en 5V-modell - 28BYJ-48.

Og dette er ikke alle driveralternativer for trinnmotorer, faktisk er det enda flere av dem.

Tilkobling til Arduino driver og stepper motor

I de fleste tilfeller må du bruke en mikrokontroller sammenkoblet med en driver for en trinnmotor. La oss se på tilkoblingsskjemaet og eksempler på kode. Vurder en tilkobling basert på den nyeste driveren som er oppført - ULN2003 til Arduino-styret. Og så har den 4 innganger, de er signert som IN1, IN2 osv. De må kobles til de digitale pinnene på Arduino-brettet, og en motor skal kobles til driveren som vist på figuren nedenfor.

Avhengig av kontrollmetode, må du dessuten bruke inngangene 1 eller 0 fra disse pinnene, inkludert 1 eller 2 viklinger i den nødvendige sekvensen. Koden for fulltrinns kontrollprogram ser noe slik ut:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

ugyldig oppsett () {

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);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

forsinkelse (dl);

}

 

Den inkluderer viklinger i følgende sekvens:

Her er koden for halvtrinnsmodus, som du kan se, den er mye mer omfangsrik, siden den involverer et større antall svitsjeviksler.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

ugyldig oppsett () {

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);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

forsinkelse (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

forsinkelse (dl);

}

 

Dette programmet inkluderer viklinger som følger:

For å konsolidere den mottatte informasjonen, se den nyttige videoen:

konklusjon

Trinnmotorer er populære blant arduiner sammen med servoer, fordi de lar deg lage roboter og CNC-maskiner. Sistnevnte er hjulpet av forekomsten i sekundærmarkedet av superbillige brukte optiske stasjoner.