Jeśli kiedykolwiek miałeś przyjemność rozmontować starą drukarkę, aby zaoszczędzić elektroniczny komponentów, możesz napotkać wiele cylindrycznych tajemniczych silników z 4 lub więcej drutami wystającymi z boków. Czy słyszałeś typowy szum stacjonarnej drukarki 3D lub wadliwą elektromechaniczną symfonię dysków w napędzie CD? Jeśli tak, to masz do czynienia z silnikiem krokowym!
Silniki krokowe powodują, że świat elektromechaniczny obraca się (z wyższym momentem obrotowym!), Ale w przeciwieństwie do konwencjonalnego silnika prądu stałego sterowanie silnikiem krokowym wymaga nieco więcej niż prądu przez dwa przewody. W tym artykule omówiono teorię projektowania i działania silnika krokowego. Jak tylko rozważymy podstawy, autor tego przewodnika pokaże, jak zbudować proste obwody do sterowania silnikami krokowymi, a następnie, jak używać specjalnych mikroukładów sterownika.
Krok 1: Co sprawia, że silnik jest silnikiem krokowym?
Kto może potrzebować więcej niż dwóch przewodów i mostka H? Dlaczego Cóż, w przeciwieństwie do konwencjonalnych silników szczotkowych DC zbudowanych dla maksymalnej prędkości obrotowej (lub kV dla RC), silniki krokowe są silnikami bezszczotkowymi zaprojektowanymi dla wysokiego momentu obrotowego (a następnie niższej prędkości) i bardziej dokładnego ruchu obrotowego. Podczas gdy typowy silnik prądu stałego doskonale nadaje się do obracania śmigła z dużą prędkością w celu osiągnięcia maksymalnej przyczepności, silnik krokowy jest lepszy do zwijania arkusza papieru zsynchronizowanego z mechanizmem atramentowym wewnątrz drukarki lub do ostrożnego obracania wałka szyny liniowej w frezarce CNC.
Wewnątrz silniki krokowe są bardziej złożone niż zwykły silnik prądu stałego, z kilkoma cewkami wokół rdzenia z magnesami trwałymi, ale przy tej złożoności zapewnia większą kontrolę. Ze względu na staranne ułożenie cewek wbudowanych w stojan, wirnik silnika krokowego może obracać się o jeden stopień, zmieniając biegunowość między cewkami i zmieniając ich biegunowość zgodnie z ustalonym schematem zapłonu. Nie wszystkie silniki krokowe są wykonane tak samo, a do ich wewnętrznego wykonania wymagane są unikalne (ale podstawowe) schematy. W kolejnym kroku omówimy najczęstsze typy silników krokowych.
Krok 2: Rodzaje silników krokowych
Istnieje kilka różnych konstrukcji silników krokowych. Obejmują one rezystancję jednobiegunową, bipolarną, uniwersalną i zmienną. Omówimy budowę i działanie silników bipolarnych i jednobiegunowych, ponieważ jest to najczęstszy rodzaj silnika.
Silnik jednobiegunowy
Silniki unipolarne zwykle mają pięć, sześć lub osiem przewodów z podstawy i jedną cewkę na fazę. W przypadku silnika pięcioprzewodowego piątym drutem są połączone centralne zaczepy par cewek. W silniku sześcioprzewodowym każda para cewek ma własny centralny zaczep. W ośmioprzewodowym silniku każda para cewek jest całkowicie oddzielna od pozostałych, co pozwala na podłączenie jej w różnych konfiguracjach. Te dodatkowe przewody umożliwiają sterowanie silnikami jednobiegunowymi bezpośrednio z zewnętrznego sterownika za pomocą prostych tranzystorów do sterowania każdą cewką osobno. Obwód zapłonu, w którym napędzana jest każda cewka, określa kierunek obrotu wału silnika. Niestety, biorąc pod uwagę, że jednocześnie dostarczana jest tylko jedna cewka, moment trzymający silnika jednobiegunowego zawsze będzie mniejszy niż moment silnika bipolarnego tej samej wielkości. Ominięcie centralnych zaczepów silnika jednobiegunowego może teraz działać jako silnik bipolarny, ale będzie to wymagało bardziej złożonego schematu sterowania. W czwartym kroku tego artykułu będziemy napędzać silnik jednobiegunowy, który powinien wyjaśnić niektóre z przedstawionych powyżej koncepcji.
Silnik bipolarny
Silniki dwubiegunowe zwykle mają cztery przewody i są trwalsze niż silnik jednobiegunowy o porównywalnej wielkości, ale ponieważ mamy tylko jedną cewkę na fazę, musimy obrócić prąd przez cewki, aby przejść o jeden krok. Nasza potrzeba zmiany prądu oznacza, że nie będziemy już w stanie kontrolować cewek bezpośrednio za pomocą pojedynczego tranzystora, zamiast kompletnego obwodu mostka H. Zbudowanie odpowiedniego mostka h jest żmudne (nie wspominając o dwóch!), Więc użyjemy dedykowanego sterownika silnika bipolarnego (patrz Krok 5).
Krok 3: Zrozumienie specyfikacji silnika krokowego
Porozmawiajmy o tym, jak określić specyfikacje silnika. Jeśli natrafisz na kwadratowy silnik z konkretnym trzyczęściowym zespołem (patrz rysunek 3), najprawdopodobniej jest to silnik NEMA. Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych ma konkretny standard specyfikacji silnika, który wykorzystuje prosty kod literowy do określenia średnicy przedniego panelu silnika, rodzaju montażu, długości, prądu fazowego, temperatury roboczej, napięcia fazowego, kroków obrotowych i okablowania.
Przeczytaj paszport silnika
W następnym kroku zostanie zastosowany ten silnik jednobiegunowy. Powyżej znajduje się tabela danych. I choć jest zwięzły, zapewnia nam wszystko, czego potrzebujemy do prawidłowego działania. Spójrzmy na to, co jest na liście:
Faza: Jest to czterofazowy silnik jednobiegunowy. Silnik wewnętrzny może mieć dowolną liczbę rzeczywistych cewek, ale w tym przypadku są one pogrupowane w cztery fazy, które można kontrolować niezależnie.
Skok kąta: Przy przybliżonej rozdzielczości 1,8 stopnia na krok uzyskujemy 200 kroków na obrót. Chociaż jest to rozdzielczość mechaniczna, za pomocą mikrozłącza możemy zwiększyć tę rozdzielczość bez żadnych zmian w silniku (więcej na ten temat w kroku 5).
Napięcie: napięcie znamionowe tego silnika wynosi 3 wolty. Jest to funkcja prądu i rezystancji znamionowej silnika (prawo Ohma V = IR, dlatego 3 V = 2 A * 1,5 Ω)
Prąd: ile prądu potrzebuje ten silnik? Dwa ampery na fazę! Liczba ta będzie ważna przy wyborze naszych tranzystorów mocy do podstawowego obwodu sterowania.
Rezystancja: 1,5 oma na fazę ograniczy prąd, który możemy dostarczyć do każdej fazy.
Indukcyjność: 2,5 mH. Indukcyjny charakter cewek silnikowych ogranicza prędkość ładowania cewek.
Moment trzymający: tyle rzeczywistej siły możemy wytworzyć, gdy napięcie zostanie przyłożone do silnika krokowego.
Moment trzymający: takiego momentu trzymającego możemy się spodziewać po silniku, gdy nie jest on zasilony energią.
Klasa izolacji: Klasa B jest częścią standardu NEMA i daje nam ocenę 130 stopni Celsjusza. Silniki krokowe nie są bardzo wydajne, a stałe zużycie maksymalnego prądu oznacza, że podczas normalnej pracy staną się bardzo gorące.
Wskaźniki uzwojenia: średnica drutu 0,644 mm., Liczba zwojów średnicy 15,5, przekrój 0,326 mm2
Wykrywanie pary cewek
Chociaż rezystancja uzwojenia cewki może się różnić w zależności od silnika, jeśli masz multimetr, możesz zmierzyć rezystancję na dowolnych dwóch drutach, jeśli rezystancja wynosi <10 omów, prawdopodobnie znalazłeś parę! Jest to w zasadzie proces błędu próbnego, ale powinien działać dla większości silników, chyba że masz numer części / specyfikacji.
Krok 4: Bezpośrednia kontrola silników krokowych
Ze względu na położenie drutów w silniku jednobiegunowym możemy kolejno włączać cewki za pomocą prostych MOSFET-ów mocy. Powyższy rysunek pokazuje prosty obwód z tranzystorem MOS. Taki układ pozwala na proste sterowanie poziomem logiki za pomocą zewnętrznego mikrokontrolera. W takim przypadku najłatwiejszym sposobem jest użycie płyty Intel Edison z płytą patch opartą na stylu. Arduinoaby uzyskać łatwy dostęp do GPIO (wystarczy jednak każda mikro z czterema GPIO). Do tego obwodu wykorzystywany jest tranzystor MOSFET o wysokiej mocy N-kanałowy IRF510. IRF510, który może pobierać do 5,6 ampera, będzie miał wystarczającą swobodną moc, aby zaspokoić potrzeby silnika przy 2 amperach. Diody LED nie są potrzebne, ale dają dobre wizualne potwierdzenie sekwencji pracy. Należy zauważyć, że IRF510 musi mieć poziom logiczny co najmniej 5 V, aby mógł pobierać wystarczający prąd dla silnika. Moc silnika w tym obwodzie wyniesie 3 V.
Sekwencja pracy
Pełna kontrola silnika jednobiegunowego przy tym ustawieniu jest bardzo prosta. Aby obrócić silnik, musimy włączyć fazy w danym trybie, aby obracał się poprawnie. Aby obrócić silnik zgodnie z ruchem wskazówek zegara, będziemy kontrolować fazy w następujący sposób: A1, B1, A2, B2. Aby obrócić w lewo, po prostu zmieniamy kierunek sekwencji na B2, A2, B1, A1. Jest to dobre dla podstawowej kontroli, ale co jeśli chcesz więcej dokładności i mniej pracy? Porozmawiajmy o użyciu dedykowanego sterownika, aby wszystko było łatwiejsze!
Krok 5: Płytki sterownika silnika krokowego
Jeśli chcesz rozpocząć sterowanie silnikami dwubiegunowymi (lub silnikami jednobiegunowymi w konfiguracji bipolarnej), musisz wziąć specjalną płytę sterującą sterownika. Zdjęcie powyżej pokazuje Big Easy Driver i płytkę nośną dla sterownika silnika krokowego A4988. Obie te płytki są płytkami drukowanymi do dwubiegunowego sterownika silnika krokowego Microstep Allegro A4988, który jest zdecydowanie jednym z najczęstszych układów do napędzania małych silników krokowych. Oprócz posiadania podwójnych mostków H do sterowania silnikiem bipolarnym, płyty te oferują wiele opcji dla niewielkich, niedrogich opakowań.
Instalacja
Te uniwersalne płytki mają niezwykle niskie połączenie. Możesz rozpocząć sterowanie silnikiem za pomocą tylko trzech połączeń (tylko dwóch GPIO) z głównym kontrolerem: wspólna masa, wysokość i kierunek. Krok kroku i jego kierunek pozostają zmienne, więc musisz powiązać je z napięciem odniesienia za pomocą rezystora obciążenia. Impuls wysłany na pin STEP spowoduje przesunięcie silnika o jeden krok z rozdzielczością zgodną z pinami odniesienia microstep. Poziom logiczny na pinie DIR określa, czy silnik będzie obracał się w prawo czy w lewo.
Silnik Microstep
W zależności od sposobu zainstalowania pinów M1, M2 i M3, można osiągnąć wyższą rozdzielczość silnika przez mikrostatowanie. Mikrostop obejmuje wysyłanie różnych impulsów w celu pociągnięcia silnika między rozdzielczością elektromagnetyczną magnesów fizycznych w wirniku, zapewniając bardzo precyzyjną kontrolę. A4988 może przejść od pełnego kroku do rozdzielczości szesnastego kroku. Dzięki naszemu silnikowi 1,8 stopnia zapewni to do 3200 kroków na obrót. Porozmawiaj o małych szczegółach!
Kody / Biblioteki
Podłączanie silników może być łatwe, ale co z ich sterowaniem? Sprawdź te gotowe biblioteki kodów do sterowania silnikiem krokowym:
Stepper - Klasyk wbudowany w Arduino IDE pozwala wykonać podstawowy krok i kontrolować prędkość obrotową.
Accel stepper - O wiele bardziej wszechstronna biblioteka, która pozwala lepiej kontrolować wiele silników i zapewnia prawidłowe przyspieszanie i zwalnianie silnika.
Stepper Intel C ++ MRAA - Biblioteka niższego poziomu dla tych, którzy chcą zagłębić się w zarządzanie surowym silnikiem krokowym C ++ za pomocą Intel Edison.
Ta wiedza powinna wystarczyć, aby zrozumieć, jak pracować z silnikami krokowymi w świecie elektromechanicznym, ale to dopiero początek.
