Arduino a krokový motor: základy, schémy, pripojenie a riadenie

Krokové motory sa používajú na riadenie polohy niečoho alebo na otáčanie pracovnej jednotky z danej rýchlosti a uhla. Takéto vlastnosti umožnili jeho použitie v robotike, číslicovo riadených strojoch (CNC) a ďalších automatizačných systémoch. V tomto článku sa budeme zaoberať množstvom otázok týkajúcich sa konštrukcie krokových motorov a ich riadenia pomocou mikrokontroléra Arduino.

Krokový motor sa líši od zvyčajného

Všetky elektrické motory používané v praxi fungujú v dôsledku elektrodynamických javov a procesov vyskytujúcich sa v magnetických poliach rotorov a statorov. Ako sme už uviedli, každý motor sa skladá najmenej z dvoch častí - mobilného (rotor) a nehybného (stator). Pre jeho rotáciu je potrebné, aby sa otáčalo aj magnetické pole. Pole rotora sa otáča za poľom statora.

Takéto základné informácie v zásade postačujú na pochopenie všeobecného obrazu o činnosti elektrických motorov. V skutočnosti však priemysel vyrába rôzne možnosti motoramedzi ktoré patria:

1. Indukčný motor veveričkovej klietky alebo vinutého rotora.

2. Synchrónny motor s vinutím poľa alebo s permanentnými magnetmi.

3. DC motor.

4. Univerzálny kolektorový motor (pracuje na jednosmerný aj striedavý prúd, pretože samotné vinutie rotora sú kvôli konštrukcii lamiel a kotiev pripojené a odpojené od kontaktov zdroja energie).

5. jednosmerné jednosmerné motory (BLDC).

6. Servá.

7. Krokové motory.

Posledné dva druhy majú osobitnú hodnotu z dôvodu možnosti ich do určitej miery presného umiestnenia v priestore. Pozrime sa bližšie na konštrukciu krokového motora.

definícia

Krokový motor sa nazýva synchrónny motor bez kefky. Na statore sa nachádza určitý počet vinutí, ktorých spojenie spôsobuje rotáciu rotora o určitý uhol v závislosti od počtu krokov. Inými slovami, prúd vinutia statora spôsobuje, že sa hriadeľ otáča v diskrétnom uhle.

Pri rovnomernej a postupnej zmene polarity napätia cez vinutia a pri prepínaní vinutých napätí sa krokový motor otáča podobne ako konvenčný elektrický motor, aj keď v skutočnosti dochádza k pravidelnej rotácii v pevnom uhle.

Krokový motor sa niekedy nazýva motor. s konečným počtom pozícií rotora, Neznie to veľmi jasne, poďme na to. Predstavte si konvenčný motor - poloha jeho rotora nie je nijako fixovaná, to znamená, že sa jednoducho otáča, keď je pripojený výkon, a keď sa vypne, zastaví sa po určitom čase v závislosti od svojej zotrvačnosti. Polohy rotora môžu byť toľko, koľko chcete, ale môžu sa líšiť podľa najmenších zlomkov stupňa.

V krokovom motore spôsobuje spojenie vinutia alebo viacerých vinutí „magnetizáciu“ rotora vzhľadom na tieto vinutia. Navonok to vyzerá presne ako otáčanie hriadeľa v určitom uhle (stúpaní). Pretože počet krokov je jednou z dôležitých charakteristík tohto typu elektrického pohonu, počet polôh rotora sa rovná počtu krokov. Pre začiatočníkov je ťažké pochopiť, ako to môže byť a ako sa v tomto prípade točí - v skutočnosti je všetko celkom jednoduché, ukážeme to na obrázkoch a popisoch nižšie.

dizajn

Budiace vinutia sú upevnené na statore elektromotora. Jeho rotor je vyrobený z mäkkých magnetických alebo tvrdých magnetických materiálov. Materiál rotora závisí od krútiaceho momentu a upevnenia hriadeľa bez vinutia. Tieto parametre môžu byť kritické.

Preto sa rozlišujú magneticky pevné rotory (tiež s permanentnými magnetmi) a magneticky mäkké (reaktívne) rotory, okrem nich sú to hybridné rotory.

Hybridný rotor je ozubený, počet zubov zodpovedá počtu krokov. Zuby sú umiestnené pozdĺž osi rotora. Okrem toho je taký rotor rozdelený na dve časti. Medzi nimi je zabudovaný permanentný magnet, takže každá z polovíc rotora je magnetická tyč. Malo by sa tiež povedať, že polovica rotora sa otáča o polovicu rozstupu zubov voči sebe navzájom.

Ako už bolo spomenuté, taký motor je synchrónny a proces jeho rotácie spočíva vo vytvorení rotačného poľa rotora, ktoré magnetický rotor hľadá, a to sa dosiahne prepínaním vinutí regulátorom.

Typy krokových motorov na navrhovanie vinutí sú rozdelené do troch hlavných skupín podľa schémy zapojenia vinutí:

1. Bipolárne.

2. Unipolárne.

3. So štyrmi vinutiami.

Väčšina bipolárnych elektrických motorov má 4 kontakty - to sú závery z dvoch vinutí. Vo vnútri motora nie sú z veľkej časti navzájom spojené. Hlavným problémom je to, že je potrebné zabezpečiť prepínanie výkonovej polarity, čo znamená, že vodič a samotný riadiaci proces sa skomplikujú.

Unipolárne sa podobajú spojeniu vinutí podľa vzoru hviezdy. Inými slovami, máte 5 záverov - 4 z nich sú konce vinutí a 1 je spojovacím bodom všetkých vinutí.

Na ovládanie takého motora stačí iba striedavo privádzať energiu na každý koniec vinutia (alebo na pár z nich, v závislosti od zvoleného režimu otáčania), takže polovica vinutia bude zakaždým napájaná. Môže fungovať v bipolárnom režime, ak celé vinutie úplne posuniete obtokom kohútika z jeho stredu.

Motory so 4 vinutiami majú tú výhodu, že môžete vinutia spojiť akýmkoľvek spôsobom, ktorý je pre vás výhodný, a získať tak bipolárny aj unipolárny motor.

Režimy riadenia

K dispozícii sú 4 hlavné režimy riadenia krokového motora:

1. Ovládanie vĺn.

2. Celý krok.

3. Polovica.

4. Mikrokrokovanie

vlna ovládanie sa nazýva ovládanie jedného vinutia. tj súčasne prúd tečie cez jedno z vinutí, teda dve charakteristické črty - nízka spotreba energie (to je dobré) a nízky krútiaci moment (to je zlé).

V tomto prípade tento motor vykoná 4 kroky za jednu otáčku. Skutočné motory podnikajú desiatky krokov v jednej otáčke, čo sa dosahuje veľkým počtom striedaní magnetických pólov.

Správa celého kroku je najbežnejšie používaný. Tu nie je napätie privádzané do jedného vinutia, ale do dvoch súčasne. Ak sú vinutia zapojené paralelne, potom prúd zdvojnásobí, a ak je zapojený do série, napájacie napätie zdvojnásobí. Na jednej strane pri tejto metóde riadenia motor na rozdiel od predchádzajúcej spotrebuje viac energie, na druhej strane 100% krútiaci moment.

Ovládanie v polovici kroku Je zaujímavé, že je možné presnejšie polohovať hriadeľ motora, pretože sa do všetkých krokov pridávajú polovice, je to dosiahnuté kombináciou predchádzajúcich dvoch režimov prevádzky a striedania vinutí, potom zapínania v pároch, potom po jednom.

Za zmienku stojí, že okamih na hriadeli pláva od 50 do 100%, v závislosti od toho, či je v súčasnosti zapojených 1 alebo 2 vinutia.

Ešte presnejšia je mikrokrokování, Je to podobné predchádzajúcemu, ale líši sa tým, že energia vinutia nie je dodávaná v plnom rozsahu, ale postupne sa mení. Miera nárazu každého z vinutí na rotor sa teda mení a uhol rotácie hriadeľa v medzikrokoch sa plynulo mení.

Kde získať krokový motor

Vždy budete mať čas kúpiť si krokový motor, ale skutoční rádioamatéri, domáci ľudia a elektronickí inžinieri sú preslávení tým, že dokážu urobiť niečo užitočné z odpadu. Určite máte doma aspoň jeden krokový motor. Poďme zistiť, kde hľadať, aby sme našli taký motor.

1. Tlačiareň.Krokové motory môžu stáť na rotácii hriadeľa na podávanie papiera (môže tu však byť aj jednosmerný motor so snímačom posunu).

2. Skenery a multifunkčné zariadenia. Skenery často inštalujú krokový motor a mechanickú časť, pozdĺž ktorej vodiace lišty vozíka môžu byť tieto časti užitočné aj pri vývoji domáceho CNC stroja.

3. Jednotky CD a DVD. Môžete tiež získať tyče a skrutkové hriadele pre domáce výrobky a rôzne CNC v nich.

4. Disketové jednotky. Diskety majú tiež krokové motory, najmä disketové súbory vo formáte 5,25 ”.

Vodič krokového motora

Na ovládanie krokových motorov používajte špeciálne mikroobvody vodiča. Väčšinou ide o H-mostík tranzistorov. Vďaka tejto inklúzii je možné na vinutie zapnúť napätie požadovanej polarity. Tieto čipy sú tiež vhodné na riadenie jednosmerných motorov s podporou zmeny smeru otáčania.

V zásade možno veľmi malé motory naštartovať priamo z kolíkov mikrokontroléra, ale zvyčajne dávajú až 20-40 mA, čo vo väčšine prípadov nestačí. Preto uvádzame niekoľko príkladov ovládačov pre krokové motory:

1. Dosky založené na L293D. Je ich veľa, jedna z nich sa predáva pod domácou značkou Amperka pod názvom Troyka Stepper, príklad jej použitia v skutočnom projekte je uvedený v videu nižšie. Výhodou tejto konkrétnej dosky je, že má logické čipy, ktoré môžu znížiť počet pinov použitých na jej ovládanie.

Samotný čip pracuje pod napätím 4,5 - 36 V a produkuje prúd až 600 mA-1A, v závislosti od prípadu IC.

2. Ovládač založený na A4988. Je napájaný napätím do 35 V, vydrží prúd až do 1A bez radiátora a so žiaričom do 2A. Môže ovládať motor v celých krokoch aj po častiach - od 1/16 kroku po 1 krok, iba 5 možností. Obsahuje dva mostíky H. Pomocou ladiaceho odporu (vidieť na pravej fotografii) môžete nastaviť výstupný prúd.

Veľkosť kroku je nastavená signálmi na vstupoch MS1, MS2, MS3.

Tu je schéma jeho pripojenia, každý impulz na vstupe STEP nastavuje motor, aby sa otáčal o 1 krok alebo mikrokrok.

3. Ovládač založený na ULN2003 pracuje s motormi 5 a 12 V a vytvára prúd až 500 mA. Na väčšine dosiek sú 4 LED diódy, ktoré indikujú činnosť každého kanála.

Na doske môžete vidieť aj svorkovnicu na pripojenie motorov, mimochodom, mnoho z nich sa predáva s týmto konektorom. Príkladom takéhoto motora je 5V model - 28BYJ-48.

A nie sú to všetky možnosti vodiča pre krokové motory, v skutočnosti ich je ešte viac.

Spojenie s ovládačom Arduino a krokovým motorom

Vo väčšine prípadov musíte použiť mikrokontrolér spárovaný s ovládačom pre krokový motor. Pozrime sa na schému pripojenia a príklady kódu. Zvážte pripojenie založené na najnovšom uvedenom ovládači - ULN2003 na dosku Arduino, A tak má 4 vstupy, sú označené ako IN1, IN2 atď. Musia byť pripojené k digitálnym kolíkom dosky Arduino a motor by mal byť pripojený k vodičovi, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Ďalej, v závislosti od spôsobu riadenia, musíte použiť vstupy 1 alebo 0 z týchto pinov vrátane 1 alebo 2 vinutí v požadovanom poradí. Kód pre program úplného kroku vyzerá asi takto:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

konšt. int dl = 5;

neplatné nastavenie () {

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);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

oneskorenie (dl);

}

 

Zahŕňa vinutie v nasledujúcom poradí:

Ako vidíte, je tu uvedený kód pre režim v polovici kroku, ktorý je oveľa objemnejší, pretože zahŕňa väčší počet spínacích vinutí.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

konšt. int dl = 5;

neplatné nastavenie () {

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);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

oneskorenie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

oneskorenie (dl);

}

 

Tento program zahŕňa nasledujúce vinutia:

Ak chcete konsolidovať prijaté informácie, pozrite si užitočné video:

záver

Krokové motory sú populárne medzi Arduins spolu so servami, pretože vám umožňujú vytvárať roboty a CNC stroje. Poslednému uvedenému pomáha hojnosť na sekundárnom trhu super lacných použitých optických jednotiek.