Arduino i silnik krokowy: podstawy, schematy, połączenia i sterowanie

Silniki krokowe służą do kontrolowania pozycji czegoś lub do obracania jednostki roboczej o zadaną prędkość i kąt. Dzięki takim funkcjom można go było stosować w robotyce, maszynach sterowanych numerycznie (CNC) i innych systemach automatyki. W tym artykule rozważymy szereg zagadnień związanych z budową silników krokowych i jak nimi sterować za pomocą mikrokontrolera Arduino.

Silnik krokowy różni się od zwykłego

Wszystkie stosowane w praktyce silniki elektryczne działają na skutek zjawisk elektrodynamicznych i procesów zachodzących w polach magnetycznych wirników i stojanów. Jak już wspomniano, każdy silnik składa się z co najmniej dwóch części - ruchomej (wirnik) i nieruchomej (stojan). Do jego obrotu konieczne jest, aby pole magnetyczne również się obracało. Pole wirnika obraca się za polem stojana.

Zasadniczo takie podstawowe informacje są wystarczające, aby zrozumieć ogólny obraz działania silników elektrycznych. Jednak w rzeczywistości przemysł produkuje różne opcje silnikawśród których są:

1. Silnik indukcyjny z wirnikiem klatkowym lub uzwojonym.

2. Silnik synchroniczny z uzwojeniami polowymi lub magnesami trwałymi.

3. Silnik prądu stałego.

4. Uniwersalny silnik kolektora (działa zarówno na prąd stały, jak i prąd przemienny, ponieważ same uzwojenia wirnika są połączone i odłączone od styków źródła zasilania ze względu na konstrukcję lameli i kotwic).

5. Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC).

6. Serwa.

7. Silniki krokowe.

Dwa ostatnie gatunki mają szczególną wartość ze względu na możliwość ich dokładnego pozycjonowania w przestrzeni kosmicznej. Przyjrzyjmy się bliżej konstrukcji silnika krokowego.

Definicja

Silnik krokowy nazywa się bezszczotkowym silnikiem synchronicznym. Na stojanie znajduje się pewna liczba zwojów, których połączenie powoduje obrót wirnika o określony kąt, w zależności od liczby kroków. Innymi słowy, prąd w uzwojeniu stojana powoduje obrót wału o dyskretny kąt.

Przy równomiernej i sekwencyjnej zmianie biegunowości napięcia na uzwojeniach i przełączaniu uzwojeń pod napięciem silnik krokowy obraca się, podobnie jak konwencjonalny silnik elektryczny, chociaż w rzeczywistości po prostu ma miejsce regularny obrót pod stałym kątem.

Silnik krokowy jest czasem nazywany silnikiem. ze skończoną liczbą pozycji wirnika. To nie brzmi bardzo wyraźnie, zobaczmy. Wyobraź sobie konwencjonalny silnik - pozycja jego wirnika nie jest w żaden sposób ustalona, ​​to znaczy, że po prostu obraca się, gdy moc jest podłączona, a gdy się wyłącza, zatrzymuje się po pewnym czasie, w zależności od jego bezwładności. Położenia wirnika mogą być dowolne, ale mogą się różnić o najmniejsze ułamki stopnia.

W silniku krokowym połączenie uzwojenia lub kilku uzwojeń powoduje, że wirnik „magnesuje” względem tych uzwojeń. Na zewnątrz wygląda dokładnie tak, jak obracanie wału o określony kąt (skok). Ponieważ liczba kroków jest jedną z ważnych cech tego rodzaju napędu elektrycznego, liczba pozycji wirnika jest równa liczbie kroków. Początkującym trudno jest zrozumieć, jak to może być i jak się obraca w tym przypadku - w rzeczywistości wszystko jest dość proste, pokażemy to na poniższych ilustracjach i opisach.

Konstrukcja

Uzwojenia wzbudzenia są zamocowane na stojanie silnika elektrycznego. Jego wirnik jest wykonany z miękkich materiałów magnetycznych lub twardych materiałów magnetycznych. Materiał wirnika zależy od momentu obrotowego i zamocowania wału przy nieuzbrojonym uzwojeniu. Te parametry mogą być krytyczne.

Dlatego wyróżnia się wirniki magnetycznie stałe (są one również z magnesami trwałymi) i wirniki magnetycznie miękkie (reaktywne), oprócz nich są wirniki hybrydowe.

Wirnik hybrydowy jest uzębiony, liczba zębów odpowiada liczbie kroków. Zęby znajdują się wzdłuż osi wirnika. Co więcej, taki wirnik jest podzielony na dwie części. Między nimi jest zainstalowany magnes stały, więc każda z połówek wirnika jest biegunem magnesu. Należy również powiedzieć, że połowa wirnika jest obrócona o połowę podziałki zębów względem siebie.

Jak już wspomniano, taki silnik jest synchroniczny, a proces jego obrotu polega na wytworzeniu wirującego pola wirnika, którego poszukuje wirnik magnetyczny, a realizuje się to poprzez przełączanie uzwojeń z kolei przez sterownik.

Rodzaje silników krokowych do projektowania uzwojeń są podzielone na trzy główne grupy zgodnie ze schematem połączeń uzwojenia:

1. Dwubiegunowy.

2. Unipolarny.

3. Z czterema uzwojeniami.

Większość dwubiegunowych silników elektrycznych ma 4 styki - są to wnioski z dwóch uzwojeń. Wewnątrz silnika są w zasadzie niepowiązane ze sobą. Główny problem polega na tym, że konieczne jest zapewnienie przełączania polaryzacji mocy, co oznacza, że ​​sterownik i sam proces sterowania staną się bardziej skomplikowane.

Unipolarne przypominają połączenie zwojów zgodnie ze wzorem gwiazdy. Innymi słowy, masz 5 wniosków - 4 z nich to końce uzwojeń, a 1 to punkt połączenia wszystkich uzwojeń.

Aby sterować takim silnikiem, wystarczy naprzemiennie zasilać każdy koniec uzwojenia (lub kilka z nich, w zależności od wybranego trybu obrotu), w ten sposób za każdym razem będzie zasilana połowa uzwojenia. Może działać w trybie bipolarnym, jeśli całkowicie nakręcisz całe uzwojenie, omijając kran od środka.

Silniki z 4 uzwojeniami mają tę zaletę, że można łączyć uzwojenia w dowolny dogodny dla siebie sposób i uzyskać zarówno silnik dwubiegunowy, jak i jednobiegunowy.

Tryby sterowania

Istnieją 4 główne tryby sterowania silnikiem krokowym:

1. Kontrola fali.

2. Pełny krok.

3. Pół kroku.

4. Mikrostopowanie

Wołnow kontrola nazywana jest kontrolą jednego uzwojenia. Tj. jednocześnie prąd przepływa przez jedno z uzwojeń, stąd dwie charakterystyczne cechy - niskie zużycie energii (to jest dobre) i niski moment obrotowy (to jest złe).

W tym przypadku silnik ten wykonuje 4 kroki w jednym obrocie. Prawdziwe silniki wykonują kilkadziesiąt kroków w jednym obrocie, osiąga się to dzięki dużej liczbie przemian biegunów magnetycznych.

Pełne zarządzanie krokami jest najczęściej używany. Tutaj napięcie jest dostarczane nie do jednego uzwojenia, ale do dwóch jednocześnie. Jeśli uzwojenia są połączone równolegle, wówczas prąd podwaja się, a jeśli szeregowo, napięcie zasilania odpowiednio się podwaja. Z jednej strony w tej metodzie sterowania silnik zużywa więcej energii, z drugiej strony 100% momentu obrotowego, w przeciwieństwie do poprzedniej.

Kontrola półetapowa Interesujące jest to, że możliwe jest dokładniejsze ustawienie wału silnika, ponieważ połówki są dodawane do całych stopni, osiąga się to poprzez połączenie poprzednich dwóch trybów pracy, a uzwojenia zmieniają się, a następnie włączają się w pary, a następnie pojedynczo.

Warto wziąć pod uwagę, że moment na wale płynie od 50 do 100%, w zależności od tego, czy w danym momencie występuje 1 lub 2 dwa uzwojenia.

Jeszcze dokładniejszy jest mikrostepowanie. Jest podobny do poprzedniego, ale różni się tym, że moc uzwojeń nie jest dostarczana w pełnym zakresie, ale stopniowo się zmienia. Tak więc zmienia się stopień uderzenia w wirnik każdego z uzwojeń, a kąt obrotu wału w stopniach pośrednich zmienia się płynnie.

Gdzie zdobyć silnik krokowy

Zawsze będziesz miał czas na zakup silnika krokowego, ale prawdziwi amatorzy radiowi, domowi ludzie i inżynierowie elektronicy słyną z tego, że potrafią zrobić coś pożytecznego ze śmieci. Na pewno masz w domu co najmniej jeden silnik krokowy. Zastanówmy się, gdzie szukać, aby znaleźć taki silnik.

1. Drukarka.Silniki krokowe mogą opierać się o obrót wałka podawania papieru (ale może również istnieć silnik prądu stałego z czujnikiem przemieszczenia).

2. Skanery i urządzenia wielofunkcyjne. Skanery często instalują silnik krokowy i część mechaniczną, wzdłuż której prowadnice karetki, części te mogą być również przydatne w projektowaniu domowej maszyny CNC.

3. Napędy CD i DVD. Możesz również dostać w nich pręty i wały śrubowe do produktów domowych i różne CNC.

4. Napędy dyskietek. Dyskietki mają również silniki krokowe, zwłaszcza dyskietki w formacie 5,25 ”.

Sterownik silnika krokowego

Do sterowania silnikami krokowymi używaj specjalnych mikroukładów sterownika. Przeważnie jest to mostek H tranzystorów. Dzięki temu włączeniu staje się możliwe włączenie napięcia o pożądanej biegunowości do uzwojenia. Chipy te nadają się również do sterowania silnikami prądu stałego ze wsparciem dla zmiany kierunku obrotów.

Zasadniczo bardzo małe silniki można uruchamiać bezpośrednio z pinów mikrokontrolera, ale zwykle dają one do 20-40 mA, co w większości przypadków nie wystarcza. Dlatego oto kilka przykładów sterowników silników krokowych:

1. Płytki oparte na L293D. Jest ich wiele, jedna z nich jest sprzedawana pod marką krajową Amperka pod nazwą Troyka Stepper, przykład jej wykorzystania w prawdziwym projekcie pokazano na poniższym filmie. Zaletą tej konkretnej płyty jest to, że ma układy logiczne, które mogą zmniejszyć liczbę pinów używanych do jej sterowania.

Sam układ działa pod napięciem 4,5-36V i wytwarza prąd do 600mA-1A, w zależności od obudowy IC.

2. Sterownik oparty na A4988. Jest zasilany napięciem do 35V, może wytrzymać prąd do 1A bez grzejnika i z grzejnikiem do 2A. Może kontrolować silnik, zarówno w krokach, jak i częściach - od 1/16 kroku do 1 kroku, tylko 5 opcji. Zawiera dwa mostki H. Za pomocą rezystora tuningowego (widocznego na prawym zdjęciu) można ustawić prąd wyjściowy.

Wielkość kroku jest ustalana przez sygnały na wejściach MS1, MS2, MS3.

Oto schemat jego połączenia, każdy impuls na wejściu STEP ustawia silnik na obrót o 1 krok lub mikrostop.

3. Sterownik oparty na ULN2003 pracuje z silnikami 5 i 12 V i wytwarza prąd do 500 mA. Na większości płyt są 4 diody LED wskazujące działanie każdego kanału.

Również na płycie widać blok zacisków do podłączania silników, przy okazji, wiele z nich jest sprzedawanych z tym złączem. Przykładem takiego silnika jest model 5V - 28BYJ-48.

I to nie wszystkie opcje sterowników silników krokowych, w rzeczywistości jest ich jeszcze więcej.

Połączenie ze sterownikiem Arduino i silnikiem krokowym

W większości przypadków należy użyć mikrokontrolera sparowanego ze sterownikiem silnika krokowego. Spójrzmy na schemat połączeń i przykłady kodu. Rozważ połączenie oparte na najnowszym wymienionym sterowniku - ULN2003 do tablicy Arduino. Ma więc 4 wejścia, są one podpisane jako IN1, IN2 itp. Muszą być podłączone do pinów cyfrowych płyty Arduino, a silnik powinien być podłączony do sterownika, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ponadto, w zależności od metody sterowania, należy zastosować wejścia 1 lub 0 z tych styków, w tym 1 lub 2 uzwojenia w wymaganej kolejności. Kod pełnego programu sterującego wygląda mniej więcej tak:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, WYJŚCIE);

pinMode (in2, WYJŚCIE);

pinMode (in3, WYJŚCIE);

pinMode (in4, WYJŚCIE);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

opóźnienie (dl);

}

 

Obejmuje uzwojenia w następującej kolejności:

Oto kod trybu półetapowego, jak widać, jest znacznie obszerniejszy, ponieważ wymaga większej liczby uzwojeń przełączających.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, WYJŚCIE);

pinMode (in2, WYJŚCIE);

pinMode (in3, WYJŚCIE);

pinMode (in4, WYJŚCIE);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

opóźnienie (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

opóźnienie (dl);

}

 

Ten program obejmuje następujące uzwojenia:

Aby skonsolidować otrzymane informacje, obejrzyj przydatne wideo:

Wniosek

Silniki krokowe są popularne wśród Arduinów wraz z serwomechanizmami, ponieważ pozwalają tworzyć roboty i maszyny CNC. To ostatnie jest wspierane przez obfitość na rynku wtórnym bardzo tanich używanych napędów optycznych.