Pokud jste někdy měli to potěšení z demontáže staré tiskárny k uložení elektronický komponenty, můžete narazit na mnoho válcových tajemných motorů se 4 nebo více dráty vystupující ze stran. Slyšeli jste typický bzučení stolní 3D tiskárny nebo buggy elektromechanickou symfonii disků v jednotce CD? Pokud ano, musíte čelit krokovému motoru!
Krokové motory způsobují, že se elektromechanický svět otáčí (s vyšším točivým momentem!), Ale na rozdíl od konvenčního stejnosměrného motoru vyžaduje řízení krokového motoru o něco více než proud prostřednictvím dvou vodičů. Tento článek bude hovořit o teorii konstrukce a provozu krokového motoru. Jakmile vezmeme v úvahu základy, autor této příručky ukáže, jak vytvořit jednoduché obvody pro řízení krokových motorů a poté, jak používat speciální mikroobvody řidiče.
Krok 1: Co dělá z motoru krokový motor?
Kdo může potřebovat více než dva dráty a H-můstek? Proč? Na rozdíl od konvenčních stejnosměrných motorů stejnosměrného proudu vytvořených pro maximální otáčky (nebo kV pro RC) jsou krokové motory bezkartáčové motory určené pro vysoký točivý moment (následně nižší rychlost) a přesnější rotační pohyb. Zatímco typický stejnosměrný motor je skvělý pro rotaci vrtule při vysoké rychlosti, aby se dosáhlo maximální trakce, krokový motor je lepší pro válcování listu papíru v synchronizaci s inkoustovým mechanismem uvnitř tiskárny nebo pro pečlivé otáčení lineárního kolejového hřídele v CNC mlýně.
Uvnitř jsou krokové motory složitější než jednoduchý stejnosměrný motor, s několika cívkami kolem jádra s permanentními magnety, ale s touto přidanou složitostí je zajištěno větší ovládání. Díky pečlivému uspořádání cívek zabudovaných do statoru se může rotor krokového motoru otáčet s daným krokem, měnit polaritu mezi cívkami a přepínat jejich polaritu v souladu se zavedeným schématem zapalování. Krokové motory nejsou všechny vyrobeny stejným způsobem a pro jejich vnitřní provedení jsou vyžadována jedinečná (ale základní) schémata. V dalším kroku probereme nejběžnější typy krokových motorů.
Krok 2: Typy krokových motorů
Existuje několik různých provedení krokových motorů. Patří mezi ně unipolární, bipolární, univerzální a variabilní odpor. Budeme diskutovat o konstrukci a provozu bipolárních a unipolárních motorů, protože se jedná o nejčastější typ motoru.
Unipolární motor
Unipolární motory mají obvykle pět, šest nebo osm vodičů pocházejících ze základny a jednu cívku na fázi. V případě pětivodičového motoru je pátým drátem spojené středové kohoutky dvojic cívek. U šestiválcového motoru má každá dvojice cívek svůj vlastní středový kohout. U osmivodičového motoru je každá dvojice cívek zcela oddělena od ostatních, což umožňuje připojení v různých konfiguracích. Tyto přídavné vodiče umožňují řídit unipolární motory přímo z externího ovladače s jednoduchými tranzistory pro ovládání každé cívky samostatně. Zapalovací obvod, ve kterém je každá cívka poháněna, určuje směr otáčení hřídele motoru. Bohužel, vzhledem k tomu, že je současně dodávána pouze jedna cívka, bude přidržovací moment unipolárního motoru vždy menší než točivý moment bipolárního motoru stejné velikosti. Bypassing centrální kohouty unipolárního motoru, to může nyní pracovat jako bipolární motor, ale toto bude vyžadovat komplexnější kontrolní schéma. Ve čtvrtém kroku tohoto článku budeme řídit unipolární motor, který by měl objasnit některé z výše uvedených konceptů.
Bipolární motor
Bipolární motory mají obvykle čtyři dráty a jsou odolnější než unipolární motor srovnávací velikosti, ale protože máme pouze jednu cívku na fázi, musíme otočit proud cívkami, abychom se dostali o jeden krok. Naše potřeba změnit proud znamená, že již nebudeme moci ovládat cívky přímo pomocí jediného tranzistoru, namísto kompletního obvodu h-můstku. Budování správného h-mostu je zdlouhavé (nemluvě o dvou!), Takže použijeme vyhrazený bipolární motorový ovladač (viz krok 5).
Krok 3: Porozumění specifikacím krokového motoru
Pojďme mluvit o tom, jak určit specifikace motoru. Pokud narazíte na čtvercový motor s konkrétní třídílnou sestavou (viz obrázek tři), je to pravděpodobně motor NEMA. Národní asociace výrobců elektřiny má specifický standard pro specifikace motoru, který používá jednoduchý písmenný kód pro stanovení průměru čelní desky motoru, typu připojení, délky, fázového proudu, provozní teploty, fázového napětí, kroků na otáčku a zapojení.
Přečtěte si pas motoru
V dalším kroku bude použit tento unipolární motor. Nahoře je datová tabulka. A i když je to stručné, poskytuje nám vše, co potřebujeme pro správnou funkci. Podívejme se, co je v seznamu:
Fáze: Jedná se o čtyřfázový unipolární motor. Vnitřní motor může mít libovolný počet skutečných cívek, ale v tomto případě jsou seskupeny do čtyř fází, které lze ovládat nezávisle.
Úhel sklonu: S přibližným rozlišením 1,8 stupně na krok získáme 200 kroků na otáčku. I když se jedná o mechanické rozlišení, pomocí mikro-křižovatky můžeme toto rozlišení zvýšit bez jakýchkoli změn motoru (více o tom v kroku 5).
Napětí: Jmenovité napětí tohoto motoru je 3 volty. Toto je funkce proudu a jmenovitého odporu motoru (Ohmův zákon V = IR, proto 3V = 2A * 1,5Ω)
Aktuální: kolik proudu tento motor potřebuje? Dvě ampéry na fázi! Toto číslo bude důležité při výběru našich výkonových tranzistorů pro základní řídicí obvod.
Odpor: 1,5 ohmu na fázi omezí, jaký proud můžeme dodávat do každé fáze.
Indukčnost: 2,5 mH. Indukční povaha cívek motoru omezuje rychlost nabíjení cívek.
Zadržovací moment: to je, kolik skutečné síly můžeme vytvořit, když je na krokový motor aplikováno napětí.
Přídržný moment: to je to, jaký přídržný moment můžeme očekávat od motoru, když není pod napětím.
Izolační třída: Třída B je součástí standardu NEMA a dává nám hodnocení 130 stupňů Celsia. Krokové motory nejsou příliš účinné a konstantní spotřeba maximálního proudu znamená, že během normálního provozu budou velmi horké.
Ukazatele vinutí: průměr drátu 0,644 mm., Počet závitů v průměru 15,5, průřez 0,326 mm2
Detekce dvojice cívek
Přestože se odpor cívkových vinutí může lišit od motoru k motoru, pokud máte multimetr, můžete měřit odpor na jakémkoli dvou vodičích, pokud je odpor <10 Ohmů, pravděpodobně jste našli pár! Jde v zásadě o proces pokusných chyb, ale pro většinu motorů by to mělo fungovat, pokud nemáte číslo dílu / specifikace.
Krok 4: Přímé ovládání krokových motorů
Díky umístění vodičů v unipolárním motoru můžeme cívky postupně zapínat pouze pomocí jednoduchých výkonových MOSFETů. Obrázek výše ukazuje jednoduchý obvod s tranzistorem MOS. Toto uspořádání umožňuje jednoduše ovládat logickou úroveň pomocí externího mikrokontroléru. V tomto případě je nejjednodušší použít základní desku Intel Edison ve stylu desky plošných spojů Arduinozískat snadný přístup k GPIO (udělá to však jakýkoli mikro se čtyřmi GPIO). Pro tento obvod se používá vysoce výkonný MOSFET s kanálem IRF510. IRF510, schopný spotřebovat až 5,6 ampér, bude mít dostatek volného výkonu, aby vyhověl potřebám motoru při 2 ampérech. LED diody nejsou potřeba, ale poskytují dobré vizuální potvrzení sledu prací. Je důležité si uvědomit, že IRF510 musí mít logickou úroveň alespoň 5 V, aby mohl spotřebovat dostatečný proud pro motor. Výkon motoru v tomto okruhu bude 3 V.
Pracovní postup
Plné ovládání unipolárního motoru s tímto nastavením je velmi jednoduché. Aby bylo možné otáčet motorem, musíme zapnout fáze v daném režimu tak, aby se otáčel správně. K otáčení motoru ve směru hodinových ručiček budeme řídit fáze následujícím způsobem: A1, B1, A2, B2. Pro otáčení proti směru hodinových ručiček jednoduše změníme směr sekvence na B2, A2, B1, A1. To je dobré pro základní ovládání, ale co když chcete větší přesnost a méně práce? Pojďme mluvit o použití vyhrazeného ovladače, aby se věci mnohem snazší!
Krok 5: desky řidičů krokových motorů
Pokud chcete začít ovládat bipolární motory (nebo unipolární motory v bipolární konfiguraci), musíte vzít speciální ovládací panel ovladače. Fotografie nahoře ukazuje Big Easy Driver a nosnou desku pro krokový motorový ovladač A4988. Obě tyto desky jsou desky s plošnými spoji pro mikroprocesorový dvojpólový krokový motor Allegro A4988, který je zdaleka jedním z nejčastějších čipů pro řízení malých krokových motorů. Kromě toho, že mají potřebné duální h-můstky pro řízení bipolárního motoru, nabízejí tyto desky mnoho možností pro malé, levné balení.
Instalace
Tyto univerzální desky mají úžasně nízké spojení. Můžete začít ovládat motor pomocí pouze tří spojení (pouze dvě GPIO) s hlavním ovladačem: společné zem, stoupání a směr. Krok kroku a jeho směr zůstávají plovoucí, takže je musíte svázat s referenčním napětím zatěžovacím odporem. Puls poslaný na STEP pin posune motor o jeden krok v rozlišení v souladu s referenčními kolíky microstep. Logická úroveň na kolíku DIR určuje, zda se motor bude otáčet ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.
Microstep motor
V závislosti na tom, jak jsou nainstalovány kolíky M1, M2 a M3, můžete dosáhnout zvýšeného rozlišení motoru pomocí mikroprocesoru. Mikrokrok zahrnuje odesílání různých impulsů pro tažení motoru mezi elektromagnetickým rozlišením fyzických magnetů v rotoru, což poskytuje velmi přesnou kontrolu. A4988 může přejít od úplného kroku k řešení šestnáctého kroku. S naším 1,8 stupňovým motorem to poskytne až 3200 kroků za otáčku. Mluv o malých detailech!
Kódy / knihovny
Připojení motorů může být snadné, ale co jejich ovládání? Podívejte se na tyto připravené knihovny kódů pro řízení krokového motoru:
Stepper - Klasika zabudovaná do Arduino IDE umožňuje provádět základní krok a řídit rychlost otáčení.
Accel stepper - Mnohem úplnější knihovna, která vám umožní lépe ovládat více motorů a poskytuje správnou akceleraci a zpomalení motoru.
Intel C ++ MRAA Stepper - Knihovna nižší úrovně pro ty, kteří se chtějí ponořit do správy surového krokového motoru C ++ pomocí Intel Edison.
Tato znalost by vám měla stačit k tomu, abyste pochopili, jak pracovat s krokovými motory v elektromechanickém světě, ale to je jen začátek.
