Αν είχατε ποτέ τη χαρά να αποσυναρμολογήσετε έναν παλιό εκτυπωτή για να το αποθηκεύσετε ηλεκτρονικό μπορεί να συναντήσετε πολλούς κυλινδρικούς μυστηριώδεις κινητήρες με 4 ή περισσότερα σύρματα που προεξέχουν από τις πλευρές. Ακούσατε ένα τυπικό buzz από έναν επιτραπέζιο εκτυπωτή 3D ή μια ηλεκτρομηχανική συμφωνία με δίσκους δίσκων σε μια μονάδα CD; Εάν ναι, τότε είστε αντιμέτωποι με ένα βηματικό μοτέρ!
Οι βηματικοί κινητήρες κάνουν τον ηλεκτρομηχανικό κόσμο να περιστρέφεται (με μεγαλύτερη ροπή!). Αλλά σε αντίθεση με έναν συμβατικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο έλεγχος ενός βηματικού κινητήρα απαιτεί λίγο περισσότερο από το ρεύμα μέσω δύο συρμάτων. Αυτό το άρθρο θα μιλήσει για τη θεωρία σχεδιασμού και λειτουργίας ενός βηματικού μοτέρ. Μόλις λάβουμε υπόψη τα βασικά, ο συντάκτης αυτού του οδηγού θα δείξει πώς να χτίσει απλά κυκλώματα για τον έλεγχο των κινητήρων stepper, και στη συνέχεια πώς να χρησιμοποιήσετε ειδικά μικροκυκλώματα οδηγού.
Βήμα 1: Τι κάνει ένα κινητήρα ένα βηματικό μοτέρ;
Ποιος μπορεί να χρειαστεί περισσότερα από δύο καλώδια και μια γέφυρα H; Γιατί; Λοιπόν, αντίθετα με τους συμβατικούς κινητήρες βούρτσας DC που έχουν κατασκευαστεί για μέγιστη στροφές RPM (ή kV για RC), οι βηματικοί κινητήρες είναι κινητήρες χωρίς ψήκτρες που έχουν σχεδιαστεί για υψηλή ροπή στρέψης και πιο ακριβή περιστροφική κίνηση. Ενώ ένας τυπικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος είναι ιδανικός για την περιστροφή της έλικας με μεγάλη ταχύτητα για να επιτευχθεί μέγιστη πρόσφυση, ένας βηματικός κινητήρας είναι καλύτερος για την κύλιση ενός φύλλου χαρτιού σε συγχρονισμό με τον μηχανισμό inkjet μέσα στον εκτυπωτή ή για προσεκτική περιστροφή του γραμμικού άξονα σιδηροτροχιάς σε μύλο CNC.
Στο εσωτερικό, οι βηματικοί κινητήρες είναι πιο περίπλοκοι από έναν απλό κινητήρα συνεχούς ρεύματος, με αρκετές σπείρες γύρω από τον πυρήνα με μόνιμους μαγνήτες, αλλά με αυτή την πρόσθετη πολυπλοκότητα παρέχεται περισσότερος έλεγχος. Λόγω της προσεκτικής τοποθέτησης των πηνίων που είναι ενσωματωμένα στον στάτορα, ο ρότορας του κινητήρα της βαθμίδας μπορεί να περιστραφεί με ένα δεδομένο βήμα, αλλάζοντας την πολικότητα μεταξύ των πηνίων και μεταβάλλοντας την πολικότητα τους σύμφωνα με το καθιερωμένο σχέδιο ανάφλεξης. Οι βηματικοί κινητήρες δεν είναι όλοι ίδιοι και για την εσωτερική τους εκτέλεση απαιτούνται μοναδικά (αλλά βασικά) σχήματα. Θα συζητήσουμε τα πιο κοινά είδη βηματικών κινητήρων στο επόμενο βήμα.
Βήμα 2: Τύποι κινητήρων Stepper
Υπάρχουν πολλά διαφορετικά σχέδια μοτέρ βηματικών. Αυτές περιλαμβάνουν μονοπολική, διπολική, καθολική και μεταβλητή αντίσταση. Θα συζητήσουμε το σχεδιασμό και τη λειτουργία των διπολικών και μονοπολικών κινητήρων, καθώς πρόκειται για τον πιο κοινό τύπο κινητήρα.
Μονοπολικός κινητήρας
Οι μονοπολικοί κινητήρες έχουν συνήθως πέντε, έξι ή οκτώ καλώδια που προέρχονται από τη βάση και ένα πηνίο ανά φάση. Στην περίπτωση ενός κινητήρα πέντε συρμάτων, το πέμπτο καλώδιο είναι οι συνδεδεμένες κεντρικές βρύσες των ζευγών σπειρών. Σε έναν εξακύλινδρο κινητήρα, κάθε ζεύγος πηνίων έχει τη δική του κεντρική βρύση. Σε έναν κινητήρα οκτώ συρμάτων, κάθε ζεύγος πηνίων είναι τελείως ξεχωριστό από τα άλλα, γεγονός που του επιτρέπει να συνδέεται σε διάφορες διαμορφώσεις. Αυτά τα πρόσθετα καλώδια σας επιτρέπουν να οδηγείτε μονοπολικούς κινητήρες απευθείας από έναν εξωτερικό ελεγκτή με απλά τρανζίστορ για τον έλεγχο κάθε πηνίου χωριστά. Ένα κύκλωμα ανάφλεξης στο οποίο κάθε πηνίο κινείται καθορίζει την κατεύθυνση περιστροφής του άξονα του κινητήρα. Δυστυχώς, δεδομένου ότι παρέχεται μόνο ένα πηνίο κάθε φορά, η ροπή συγκράτησης ενός μονοπολικού κινητήρα θα είναι πάντοτε μικρότερη από τη ροπή συγκράτησης ενός διπολικού κινητήρα του ίδιου μεγέθους. Παραβλέποντας τις κεντρικές βρύσες ενός μονοπολικού κινητήρα, μπορεί τώρα να λειτουργήσει ως διπολικό μοτέρ, αλλά αυτό θα απαιτήσει ένα πιο περίπλοκο σχέδιο ελέγχου. Στο τέταρτο βήμα αυτού του άρθρου, θα οδηγήσουμε έναν μονοπολικό κινητήρα, ο οποίος θα πρέπει να διευκρινίσει ορισμένες από τις έννοιες που παρουσιάζονται παραπάνω.
Διπολικό μοτέρ
Οι διπολικοί κινητήρες έχουν συνήθως τέσσερα σύρματα και είναι πιο ανθεκτικοί από έναν μονοπολικό κινητήρα συγκριτικού μεγέθους, αλλά επειδή έχουμε μόνο ένα πηνίο ανά φάση, πρέπει να μετατρέψουμε το ρεύμα μέσα από τα πηνία για να κάνουμε ένα βήμα. Η ανάγκη μας να αλλάξουμε την τρέχουσα σημαίνει ότι δεν θα είμαστε πλέον σε θέση να ελέγξουμε τα πηνία απευθείας με ένα μόνο τρανζίστορ, αντί για ένα πλήρες κύκλωμα h-γέφυρας. Η κατασκευή της σωστής γέφυρας h είναι κουραστική (για να μην αναφέρουμε δύο!), Έτσι θα χρησιμοποιήσουμε έναν ειδικό διπολικό οδηγό κινητήρα (βλ. Βήμα 5).
Βήμα 3: Κατανόηση των προδιαγραφών του κινητήρα Stepper
Ας μιλήσουμε για τον τρόπο καθορισμού των προδιαγραφών του κινητήρα. Αν συναντήσατε έναν τετραγωνικό κινητήρα με συγκεκριμένο συγκρότημα τριών τεμαχίων (βλ. Σχήμα 3), είναι πιθανότατα ένας κινητήρας NEMA. Ο Εθνικός Σύνδεσμος Ηλεκτρομηχανολόγων έχει ένα ειδικό πρότυπο για προδιαγραφές κινητήρα που χρησιμοποιεί έναν απλό κωδικό γράμματος για να καθορίσει τη διάμετρο της πρόσοψης του κινητήρα, τον τύπο στήριξης, το μήκος, το ρεύμα φάσης, τη θερμοκρασία λειτουργίας, την τάση φάσης, τα βήματα ανά περιστροφή και την καλωδίωση.
Διαβάστε το διαβατήριο του κινητήρα
Για το επόμενο βήμα, θα χρησιμοποιηθεί αυτός ο μονοπολικός κινητήρας. Πάνω είναι ένας πίνακας δεδομένων. Και παρόλο που είναι συνοπτικό, μας παρέχει όλα όσα χρειαζόμαστε για σωστή λειτουργία. Ας δούμε τι υπάρχει στη λίστα:
Φάση: Πρόκειται για τετραφασικό μονοπολικό κινητήρα. Ο εσωτερικός κινητήρας μπορεί να έχει οποιοδήποτε αριθμό πραγματικών σπειρών, αλλά στην περίπτωση αυτή ομαδοποιούνται σε τέσσερις φάσεις, οι οποίες μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα.
Γωνία κλίσης: Με κατά προσέγγιση ανάλυση 1,8 μοιρών ανά βήμα, έχουμε 200 βήματα ανά περιστροφή. Παρόλο που πρόκειται για μηχανική ανάλυση, με τη βοήθεια της μικροσυνδέσεως μπορούμε να αυξήσουμε αυτή την ανάλυση χωρίς αλλαγές στον κινητήρα (περισσότερα για αυτό στο βήμα 5).
Τάση: Η ονομαστική τάση αυτού του κινητήρα είναι 3 βολτ. Αυτή είναι μια συνάρτηση της τρέχουσας και της ονομαστικής αντίστασης του κινητήρα (νόμος Ohm V = IR, συνεπώς 3V = 2A * 1,5Ω)
Τρέχων: Πόσο ρεύμα χρειάζεται αυτό το μοτέρ; Δύο αμπέρ ανά φάση! Αυτός ο αριθμός θα είναι σημαντικός όταν επιλέγουμε τα τρανζίστορ ισχύος μας για το βασικό κύκλωμα ελέγχου.
Αντίσταση: 1,5 ohm ανά φάση θα περιορίσει το ρεύμα που μπορούμε να τροφοδοτήσουμε σε κάθε φάση.
Επαγωγή: 2,5 mH. Η επαγωγική φύση των πηνίων κινητήρα περιορίζει την ταχύτητα φόρτισης των πηνίων.
Χρόνος συγκράτησης: Αυτή είναι η πραγματική δύναμη που μπορούμε να δημιουργήσουμε όταν εφαρμόζεται τάση στον βηματικό κινητήρα.
Χρόνος συγκράτησης: αυτή είναι η στιγμή που μπορούμε να περιμένουμε από τον κινητήρα όταν δεν είναι ενεργοποιημένος.
Κατηγορία μόνωσης: Η κλάση B είναι μέρος του προτύπου NEMA και μας δίνει μια βαθμολογία των 130 βαθμών Κελσίου. Οι βηματικοί κινητήρες δεν είναι πολύ αποδοτικοί και η συνεχής κατανάλωση μέγιστου ρεύματος σημαίνει ότι θα γίνουν πολύ ζεστούς κατά την κανονική λειτουργία.
Δείκτες περιέλιξης: διάμετρος σύρματος 0.644 mm., Αριθμός στροφών σε διάμετρο 15.5, διατομή 0.326 mm2
Ανίχνευση ζεύγους σπειρών
Αν και η αντίσταση των περιελίξεων των κυλίνδρων μπορεί να ποικίλει από κινητήρα σε κινητήρα, αν έχετε ένα πολύμετρο, μπορείτε να μετρήσετε την αντίσταση σε οποιαδήποτε δύο σύρματα, αν η αντίσταση είναι <10 Ohms, πιθανότατα βρήκατε ένα ζευγάρι! Αυτό είναι βασικά μια δοκιμαστική διαδικασία σφάλματος, αλλά θα πρέπει να δουλεύει για τους περισσότερους κινητήρες εκτός αν έχετε έναν αριθμό μέρους / προδιαγραφής.
Βήμα 4: Άμεσος έλεγχος των βηματικών κινητήρων
Λόγω της θέσης των συρμάτων σε έναν μονοπολικό κινητήρα, μπορούμε να ενεργοποιήσουμε διαδοχικά τα πηνία χρησιμοποιώντας μόνο απλά MOSFET ισχύος. Το παραπάνω σχήμα δείχνει ένα απλό κύκλωμα με ένα τρανζίστορ MOS. Αυτή η ρύθμιση σας επιτρέπει να ελέγχετε απλά το επίπεδο λογικής χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό μικροελεγκτή. Στην περίπτωση αυτή, ο ευκολότερος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε μια πλακέτα Intel Edison με μια πλακέτα patch με βάση το στυλ. Arduinoγια να έχετε εύκολη πρόσβαση στο GPIO (ωστόσο, κάθε micro με τέσσερις GPIOs θα κάνει). Το IRF510 N-καναλιού MOSFET υψηλής ισχύος χρησιμοποιείται για αυτό το κύκλωμα. Το IRF510, ικανό να καταναλώνει μέχρι και 5,6 αμπέρ, θα έχει αρκετή ελεύθερη ισχύ για να ικανοποιεί τις απαιτήσεις των 2 amp. Οι λυχνίες LED δεν χρειάζονται, αλλά θα σας δώσουν μια καλή οπτική επιβεβαίωση της ακολουθίας των εργασιών. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το IRF510 πρέπει να έχει ένα λογικό επίπεδο τουλάχιστον 5 V έτσι ώστε να μπορεί να καταναλώνει επαρκές ρεύμα για τον κινητήρα. Η ισχύς του κινητήρα σε αυτό το κύκλωμα θα είναι 3 V.
Σειρά εργασίας
Ο πλήρης έλεγχος ενός μονοπολικού κινητήρα με αυτή τη ρύθμιση είναι πολύ απλός. Για να περιστρέψουμε τον κινητήρα, πρέπει να ενεργοποιήσουμε τις φάσεις στη δεδομένη κατάσταση λειτουργίας έτσι ώστε να περιστρέφεται σωστά. Για να περιστρέψουμε τον κινητήρα δεξιόστροφα, θα ελέγξουμε τις φάσεις ως εξής: A1, B1, A2, B2. Για να περιστρέψουμε αριστερόστροφα, απλά αλλάζουμε την κατεύθυνση της ακολουθίας σε B2, A2, B1, A1. Αυτό είναι καλό για τον βασικό έλεγχο, αλλά τι γίνεται αν θέλετε περισσότερη ακρίβεια και λιγότερη εργασία; Ας μιλήσουμε για τη χρήση ενός ειδικού οδηγού για να κάνουμε τα πράγματα πολύ πιο εύκολα!
Βήμα 5: πίνακες οδηγού βηματικών κινητήρων
Εάν θέλετε να ξεκινήσετε τον έλεγχο των διπολικών κινητήρων (ή μονοπολικών κινητήρων σε διπολική διαμόρφωση), πρέπει να πάρετε έναν ειδικό πίνακα ελέγχου του οδηγού. Η παραπάνω φωτογραφία δείχνει το Big Easy Driver και το φορέα για τον οδηγό βηματικού κινητήρα A4988. Και οι δύο πίνακες είναι τυπωμένα κυκλώματα για τον οδηγό βηματικού κινητήρα Allegro A4988 με δύο πόλους, ο οποίος είναι μακράν ένας από τους πιο συνηθισμένους μάρκες για την οδήγηση μικρών βηματικών κινητήρων. Εκτός από τις απαραίτητες διπλές οθόνες h για τον έλεγχο ενός διπολικού κινητήρα, αυτές οι σανίδες προσφέρουν πολλές επιλογές για μικροσκοπικές, φθηνές συσκευασίες.
Εγκατάσταση
Αυτές οι γενικές πλακέτες έχουν μια εκπληκτικά χαμηλή σύνδεση. Μπορείτε να ξεκινήσετε τον έλεγχο του κινητήρα χρησιμοποιώντας μόνο τρεις συνδέσεις (μόνο δύο GPIO) με τον κύριο ελεγκτή: κοινό έδαφος, βήμα και κατεύθυνση. Το βηματικό βήμα και η κατεύθυνσή του παραμένουν επιπλέουσες, οπότε πρέπει να τους συνδέσετε στην τάση αναφοράς με αντίσταση φορτίου. Ο παλμός που αποστέλλεται στον ακροδέκτη STEP θα μετακινήσει τον κινητήρα κατά ένα βήμα σε μια ανάλυση σύμφωνα με τους ακροδέκτες αναφοράς του microstep. Το επίπεδο λογικής στον ακροδέκτη DIR καθορίζει αν ο κινητήρας θα περιστραφεί δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.
Μηχανή Microstep
Ανάλογα με τον τρόπο που εγκαθίστανται οι ακίδες M1, M2 και M3, μπορείτε να επιτύχετε αυξημένη ανάλυση κινητήρα με μικροδιακοπή. Το microstep περιλαμβάνει την αποστολή ποικίλων παλμών για να τραβήξει τον κινητήρα μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης των φυσικών μαγνητών στο ρότορα, παρέχοντας πολύ ακριβή έλεγχο. Το A4988 μπορεί να προχωρήσει από το πλήρες βήμα στην επίλυση του δέκατου έκτου βήματος. Με τον κινητήρα 1.8 βαθμών, αυτό θα παρέχει έως και 3200 βήματα ανά περιστροφή. Μιλήστε για τις λεπτομέρειες!
Κωδικοί / Βιβλιοθήκες
Η σύνδεση κινητήρων μπορεί να είναι εύκολη, αλλά τι γίνεται με τον έλεγχο τους; Ελέγξτε έξω αυτές τις έτοιμες βιβλιοθήκες κώδικα για τον έλεγχο του βηματικού μοτέρ:
Stepper - Το κλασικό ενσωματωμένο στην IDE του Arduino σάς επιτρέπει να κάνετε ένα βασικό βήμα και να ελέγχετε την ταχύτητα περιστροφής.
Accel stepper - Μια πολύ πιο πλήρης βιβλιοθήκη που σας επιτρέπει να ελέγχετε καλύτερα πολλούς κινητήρες και να παρέχει τη σωστή επιτάχυνση και επιβράδυνση του κινητήρα.
Intel C + + MRAA Stepper - Μια βιβλιοθήκη κατώτερου επιπέδου για όσους θέλουν να δουλέψουν στη διαχείριση του πρώτου C ++ βηματικού κινητήρα χρησιμοποιώντας την Intel Edison.
Αυτή η γνώση θα πρέπει να είναι αρκετή για να κατανοήσετε πώς να εργαστείτε με βηματικούς κινητήρες στον ηλεκτρομηχανικό κόσμο, αλλά αυτό είναι μόνο η αρχή.
