Om du någonsin har haft nöjet att demontera en gammal skrivare för att spara elektronisk komponenter, kan du stöta på många cylindriska mystiska motorer med fyra eller fler ledningar som sticker ut från sidorna. Hörde du den typiska surret från en stationär 3D-skrivare eller den buggy elektromekaniska symfonin av diskar i en CD-enhet? Om så är fallet, står du inför en stegmotor!
Stegmotorer får den elektromekaniska världen att rotera (med högre vridmoment!), Men till skillnad från en konventionell likströmsmotor kräver kontroll av en stegmotor lite mer än strömmen genom två ledningar. Den här artikeln kommer att prata om teorin om design och drift av en stegmotor. Så snart vi tänker på grunderna, kommer författaren till den här guiden att visa hur man bygger enkla kretsar för att styra stegmotorer och sedan hur man använder speciella drivrutins mikrokretsar.
Steg 1: Vad gör en motor till en stegmotor?
Vem kan behöva mer än två ledningar och en H-bro? Varför? Till skillnad från konventionella DC-borstmotorer byggda för maximal varvtal (eller kV för RC), är stegmotorer borstfria motorer designade för högt vridmoment (därefter lägre hastighet) och mer exakt rotationsrörelse. Medan en typisk likströmsmotor är utmärkt för att rotera propellen med hög hastighet för att uppnå maximal dragkraft, är en stegmotor bättre för att rulla ett pappersark synkroniserat med bläckstrålsmekanismen inuti skrivaren eller för att försiktigt rotera en linjär skenaaxel i en CNC-kvarn.
Inuti är stegmotorer mer komplexa än en enkel likströmsmotor, med flera spolar runt kärnan med permanentmagneter, men med denna extra komplexitet tillhandahålls mer kontroll. På grund av det noggranna arrangemanget av spolarna inbyggda i statorn kan stegmotorns rotor rotera med ett givet steg, ändra polariteten mellan spolarna och byta deras polaritet i enlighet med det etablerade tändningsschemat. Stegmotorer är inte alla likadana, och för deras interna utförande krävs unika (men grundläggande) scheman. Vi kommer att diskutera de vanligaste typerna av stegmotorer i nästa steg.
Steg 2: Typer av stegmotorer
Det finns flera olika utföranden av stegmotorer. Dessa inkluderar unipolär, bipolär, universell och variabel motstånd. Vi kommer att diskutera konstruktion och drift av bipolära och unipolära motorer, eftersom detta är den vanligaste typen av motor.
Unipolär motor
Unipolära motorer har vanligtvis fem, sex eller åtta ledningar som kommer från basen och en spole per fas. När det gäller en femtrådsmotor är den femte tråden en ansluten central gren av spolparna. I en sextrådsmotor har varje spolpar ett eget centralt kran. I en åtttrådsmotor är varje spolpar helt separat från de andra, vilket gör att den kan anslutas i olika konfigurationer. Dessa extra ledningar gör att du kan driva unipolära motorer direkt från en extern styrenhet med enkla transistorer för att styra varje spole separat. En tändkrets i vilken varje spole drivs bestämmer rotationsriktningen för motoraxeln. Tyvärr, med tanke på att endast en spole tillhandahålls åt gången, kommer hållmomentet för en unipolär motor alltid att vara mindre än det för en bipolär motor av samma storlek. Genom att kringgå de centrala kranarna på en unipolär motor kan den nu fungera som en bipolär motor, men detta kommer att kräva ett mer komplicerat kontrollschema. I det fjärde steget i den här artikeln kommer vi att driva en unipolär motor, vilket borde klargöra några av de koncept som presenteras ovan.
Bipolär motor
Bipolära motorer har vanligtvis fyra ledningar och är mer hållbara än en unipolär motor av jämförande storlek, men eftersom vi bara har en spole per fas måste vi vrida strömmen genom spolarna för att gå ett steg. Vårt behov av att ändra strömmen innebär att vi inte längre kan styra spolarna direkt med en enda transistor, utan en komplett h-bridge-krets. Att bygga rätt h-bro är tråkigt (för att inte tala om två!), Så vi kommer att använda en dedikerad bipolär motorförare (se steg 5).
Steg 3: Förstå specifikationer för stegmotor
Låt oss prata om hur man bestämmer motorns specifikationer. Om du har stött på en fyrkantig motor med en specifik tredelar (se figur tre) är det troligtvis en NEMA-motor. Landsförbundet för elektrotillverkare har en specifik standard för motorspecifikationer som använder en enkel bokstavskod för att bestämma diametern på motorns frontplatta, typ av fäste, längd, fasström, driftstemperatur, fasspänning, steg per varv och ledningar.
Läs motorpasset
För nästa steg kommer denna unipolära motor att användas. Ovan är en datatabell. Och även om det är kortfattat, ger det oss allt vi behöver för korrekt drift. Låt oss titta på vad som finns i listan:
Fas: Detta är en fyrfasig unipolär motor. Den interna motorn kan ha valfritt antal riktiga spolar, men i detta fall grupperas de i fyra faser, som kan styras oberoende.
Vinkelhöjd: Med en ungefärlig upplösning på 1,8 grader per steg får vi 200 steg per varv. Även om detta är en mekanisk upplösning, kan vi med hjälp av mikrokorsningen öka denna upplösning utan några förändringar i motorn (mer om detta i steg 5).
Spänning: Motorens märkspänning är 3 volt. Detta är en funktion av motorns ström och nominella motstånd (Ohms lag V = IR, därför 3V = 2A * 1,5Ω)
Ström: hur mycket ström behöver denna motor? Två ampere per fas! Denna siffra kommer att vara viktig när du väljer våra krafttransistorer för den grundläggande styrkretsen.
Motstånd: 1,5 ohm per fas kommer att begränsa vilken ström vi kan tillföra till varje fas.
Induktans: 2,5 mH. Motorspolarnas induktiva karaktär begränsar spolarnas laddningshastighet.
Hållmoment: det är hur mycket verklig kraft vi kan skapa när spänningen appliceras på stegmotorn.
Hållmoment: det är det hållmoment som vi kan förvänta oss av motorn när den inte är aktiverad.
Isoleringsklass: Klass B är en del av NEMA-standarden och ger oss ett betyg på 130 grader Celsius. Stegmotorer är inte särskilt effektiva och den ständiga förbrukningen av maximal ström innebär att de blir mycket varma under normal drift.
Lindningsindikatorer: tråddiameter 0,644 mm., Antal varv i diameter 15,5, tvärsnitt 0,326 mm2
Spolpardetektering
Även om motståndet hos spirallindningarna kan variera från motor till motor, om du har en multimeter, kan du mäta motståndet på två trådar, om motståndet är <10 Ohm, hittade du antagligen ett par! Det här är i princip en testfelsprocess, men den bör fungera för de flesta motorer om du inte har ett del- / specifikationsnummer.
Steg 4: Direkt kontroll av stegmotorer
På grund av ledningens placering i en unipolär motor kan vi i tur och ordning slå på spolarna med bara enkla MOSFET-effekter. Figuren ovan visar en enkel krets med en MOS-transistor. Detta arrangemang låter dig helt enkelt styra logiknivån med en extern mikrokontroller. I detta fall är det enklaste sättet att använda ett Intel Edison-kort med ett stilbaserat patchkort. Arduinoför att få enkel åtkomst till GPIO (dock gör alla mikrofoner med fyra GPIO). IRF510 N-kanals högeffekt MOSFET används för denna krets. IRF510, som kan konsumera upp till 5,6 ampere, kommer att ha tillräckligt med fri effekt för att tillgodose motorns behov vid 2 ampere. Lysdioder behövs inte, men de ger dig en god visuell bekräftelse av arbetssekvensen. Det är viktigt att notera att IRF510 måste ha en logisk nivå på minst 5 V så att den kan konsumera tillräcklig ström för motorn. Motorns effekt i denna krets kommer att vara 3 V.
Arbetssekvens
Full kontroll av en unipolär motor med denna inställning är mycket enkel. För att rotera motorn måste vi slå på faserna i det givna läget så att det roterar korrekt. För att rotera motorn medsols kommer vi att styra faserna enligt följande: A1, B1, A2, B2. För att rotera moturs ändrar vi helt enkelt riktningen för sekvensen till B2, A2, B1, A1. Detta är bra för grundläggande kontroll, men vad händer om du vill ha mer noggrannhet och mindre arbete? Låt oss prata om att använda en dedicerad drivrutin för att göra saker mycket lättare!
Steg 5: Stegmotorens förarkort
Om du vill börja styra bipolära motorer (eller unipolära motorer i en bipolär konfiguration) måste du ta ett speciellt förarkontrollkort. Bildet ovan visar Big Easy Driver och bärkortet för A4988 stegmotordrivrutin. Båda dessa kort är tryckta kretskort för den mikrostep tvåpoliga Allegro A4988 stegmotordrivrutinen, vilket är överlägset en av de vanligaste chips för att driva små stegmotorer. Förutom att ha de nödvändiga dubbla h-broarna för att styra en bipolär motor, erbjuder dessa brädor många alternativ för liten, billig förpackning.
montering
Dessa universalkort har en otroligt låg anslutning. Du kan börja styra motorn med bara tre anslutningar (endast två GPIO) med din huvudkontroll: gemensam mark, stigning och riktning. Stegsteget och dess riktning förblir flytande, så du måste binda dem till referensspänningen med ett lastmotstånd. Den puls som skickas till STEP-stiftet kommer att flytta motorn ett steg i en upplösning i enlighet med mikrostep-referensstiften. Den logiska nivån vid DIR-stiftet avgör om motorn ska rotera medurs eller moturs.
Microstep-motor
Beroende på hur stiften M1, M2 och M3 är installerade kan du uppnå ökad motorupplösning genom mikrosträngning. Mikrosteppen inkluderar sändning av olika pulser för att dra motorn mellan den elektromagnetiska upplösningen av de fysiska magneterna i rotorn, vilket ger mycket exakt kontroll. A4988 kan gå från hela steget till upplösning av det sextonde steget. Med vår 1,8-graders motor ger detta upp till 3200 steg per varv. Prata om de små detaljerna!
Koder / bibliotek
Det kan vara enkelt att ansluta motorer, men hur är det med att styra dem? Kolla in dessa färdiga kodbibliotek för stegmotorkontroll:
stepper - Den klassiska inbyggda i Arduino IDE låter dig utföra ett grundläggande steg och kontrollera rotationshastigheten.
Accel steg - Ett mycket mer komplett bibliotek som gör att du bättre kan styra flera motorer och ger rätt acceleration och retardation av motorn.
Intel C ++ MRAA-steg - Ett bibliotek på lägre nivå för dig som vill gå in i hanteringen av den råa C ++ stegmotorn med Intel Edison.
Denna kunskap borde räcka för att du ska förstå hur du arbetar med stegmotorer i den elektromekaniska världen, men detta är bara början.
