Als u ooit het genoegen heeft gehad om een oude printer te demonteren om te besparen elektronisch componenten, kunt u veel cilindrische mysterieuze motoren tegenkomen met 4 of meer draden die uit de zijkanten steken. Hoorde je het typische geroezemoes van een desktop 3D-printer of de buggy elektromechanische symfonie van schijven in een cd-station? Dan sta je voor een stappenmotor!
Stappenmotoren laten de elektromechanische wereld draaien (met een hoger koppel!), Maar in tegenstelling tot een conventionele gelijkstroommotor vereist het besturen van een stappenmotor iets meer dan de stroom via twee draden. Dit artikel gaat in op de theorie van het ontwerp en de werking van een stappenmotor. Zodra we de basis in overweging hebben genomen, zal de auteur van deze gids laten zien hoe eenvoudige circuits kunnen worden gebouwd voor het besturen van stappenmotoren, en hoe speciale microcircuits van de driver kunnen worden gebruikt.
Stap 1: Wat maakt een motor tot een stappenmotor?
Wie heeft er meer dan twee draden en een H-brug nodig? Waarom? Welnu, in tegenstelling tot conventionele DC-borstelmotoren die zijn gebouwd voor maximale RPM (of kV voor RC), zijn stappenmotoren borstelloze motoren die zijn ontworpen voor een hoog koppel (vervolgens lagere snelheid) en een nauwkeurigere rotatiebeweging. Terwijl een typische gelijkstroommotor geweldig is om de propeller met hoge snelheid te draaien om maximale tractie te bereiken, is een stappenmotor beter voor het rollen van een vel papier synchroon met het inkjetmechanisme in de printer of voor het voorzichtig draaien van de lineaire railas in een CNC-frees.
Binnenin zijn stappenmotoren complexer dan een eenvoudige gelijkstroommotor, met meerdere spoelen rond de kern met permanente magneten, maar met deze extra complexiteit wordt meer controle geboden. Door de zorgvuldige plaatsing van de spoelen die in de stator zijn ingebouwd, kan de rotor van de stappenmotor met een bepaalde stap roteren, waardoor de polariteit tussen de spoelen verandert en hun polariteit verandert in overeenstemming met het vastgestelde ontstekingsschema. Stappenmotoren zijn niet allemaal hetzelfde gemaakt en voor hun interne uitvoering zijn unieke (maar basis) schema's vereist. In de volgende stap bespreken we de meest voorkomende soorten stappenmotoren.
Stap 2: Soorten stappenmotoren
Er zijn verschillende ontwerpen van stappenmotoren. Deze omvatten unipolaire, bipolaire, universele en variabele weerstand. We zullen het ontwerp en de werking van bipolaire en unipolaire motoren bespreken, omdat dit het meest voorkomende type motor is.
Unipolaire motor
Unipolaire motoren hebben meestal vijf, zes of acht draden die van de basis komen en één spoel per fase. In het geval van een vijfdraads motor is de vijfde draad de verbonden centrale tappen van de paren spoelen. In een zesdraads motor heeft elk paar spoelen zijn eigen centrale kraan. In een achtdraads motor is elk paar spoelen volledig gescheiden van de andere, waardoor het in verschillende configuraties kan worden aangesloten. Met deze extra draden kunt u unipolaire motoren rechtstreeks aansturen vanaf een externe controller met eenvoudige transistors om elke spoel afzonderlijk te regelen. Een ontstekingscircuit waarin elke spoel wordt aangedreven, bepaalt de draairichting van de motoras. Helaas, aangezien er slechts één spoel tegelijk wordt geleverd, zal het houdkoppel van een unipolaire motor altijd lager zijn dan die van een bipolaire motor van dezelfde grootte. Door de centrale aftakkingen van een unipolaire motor te omzeilen, kan deze nu werken als een bipolaire motor, maar dit vereist een complexere regeling. In de vierde stap van dit artikel zullen we een unipolaire motor aansturen, die enkele van de hierboven gepresenteerde concepten zou moeten verduidelijken.
Bipolaire motor
Bipolaire motoren hebben doorgaans vier draden en zijn duurzamer dan een unipolaire motor van vergelijkbare grootte, maar aangezien we maar één spoel per fase hebben, moeten we de stroom door de spoelen draaien om één stap te gaan. Onze noodzaak om de stroom te veranderen betekent dat we de spoelen niet langer rechtstreeks kunnen besturen met een enkele transistor, maar met een compleet h-brugcircuit. Het bouwen van de juiste h-brug is vervelend (om nog maar te zwijgen van twee!), Dus we zullen een speciale bipolaire motorbestuurder gebruiken (zie stap 5).
Stap 3: De specificaties van stappenmotoren begrijpen
Laten we het hebben over het bepalen van motorspecificaties. Als u een vierkante motor bent tegengekomen met een specifieke driedelige constructie (zie afbeelding drie), is dit hoogstwaarschijnlijk een NEMA-motor. De National Association of Electrical Manufacturers heeft een specifieke norm voor motorspecificaties die een eenvoudige lettercode gebruikt om de diameter van de motorfrontplaat, type montage, lengte, fasestroom, bedrijfstemperatuur, fasespanning, stappen per omwenteling en bedrading te bepalen.
Lees het motorpaspoort
Voor de volgende stap wordt deze unipolaire motor gebruikt. Hierboven is een gegevenstabel. En hoewel het beknopt is, biedt het ons alles wat we nodig hebben voor een goede werking. Laten we eens kijken wat er in de lijst staat:
Fase: Dit is een vierfasige unipolaire motor. De interne motor kan een onbeperkt aantal echte spoelen hebben, maar in dit geval zijn ze gegroepeerd in vier fasen, die onafhankelijk kunnen worden bestuurd.
Hoekafstand: met een geschatte resolutie van 1,8 graden per stap, krijgen we 200 stappen per omwenteling. Hoewel dit een mechanische resolutie is, kunnen we met behulp van de micro-junction deze resolutie verhogen zonder veranderingen aan de engine (meer hierover in stap 5).
Spanning: De nominale spanning van deze motor is 3 volt. Dit is een functie van de stroom en de nominale weerstand van de motor (wet van Ohm V = IR, dus 3V = 2A * 1.5Ω)
Stroom: hoeveel stroom heeft deze motor nodig? Twee ampère per fase! Dit cijfer is belangrijk bij het kiezen van onze vermogenstransistors voor het basisbesturingscircuit.
Weerstand: 1,5 ohm per fase beperkt de stroom die we aan elke fase kunnen leveren.
Inductie: 2,5 mH. Het inductieve karakter van de motorspoelen beperkt de laadsnelheid van de spoelen.
Vasthoudmoment: dit is hoeveel werkelijke kracht we kunnen creëren wanneer er spanning op de stappenmotor komt.
Houdmoment: dit is het houdmoment dat we van de motor kunnen verwachten als deze niet onder spanning staat.
Isolatieklasse: Klasse B maakt deel uit van de NEMA-norm en geeft ons een beoordeling van 130 graden Celsius. Stappenmotoren zijn niet erg efficiënt en het constante verbruik van maximale stroom betekent dat ze tijdens normaal gebruik erg heet worden.
Wikkelindicatoren: draaddiameter 0,644 mm., Aantal windingen in diameter 15,5, doorsnede 0,326 mm2
Detectie van spoelparen
Hoewel de weerstand van de spoelwikkelingen van motor tot motor kan verschillen, kunt u bij een multimeter de weerstand op twee willekeurige draden meten, als de weerstand <10 Ohm is, heeft u waarschijnlijk een paar gevonden! Dit is in feite een proeffoutproces, maar het zou voor de meeste motoren moeten werken, tenzij u een onderdeel- / specificatienummer heeft.
Stap 4: Directe besturing van stappenmotoren
Vanwege de locatie van de draden in een unipolaire motor, kunnen we de spoelen achtereenvolgens inschakelen met alleen eenvoudige power-MOSFET's. De bovenstaande afbeelding toont een eenvoudig circuit met een MOS-transistor. Met deze opstelling kunt u eenvoudig het logische niveau regelen met behulp van een externe microcontroller. In dit geval is de eenvoudigste manier om een Intel Edison-bord te gebruiken met een op stijl gebaseerd patchbord. Arduinoom gemakkelijk toegang te krijgen tot de GPIO (elke micro met vier GPIO's doet het echter). De IRF510 N-kanaals krachtige MOSFET wordt gebruikt voor dit circuit. De IRF510, die tot 5,6 ampère kan verbruiken, heeft voldoende vrije stroom om te voldoen aan de motorvereisten van 2 ampère. LED's zijn niet nodig, maar ze geven u een goede visuele bevestiging van de volgorde van werken. Het is belangrijk op te merken dat de IRF510 een logisch niveau van minimaal 5 V moet hebben, zodat hij voldoende stroom voor de motor kan verbruiken. Het motorvermogen in dit circuit is 3 V.
Werksequentie
Volledige controle over een unipolaire motor met deze instelling is heel eenvoudig. Om de motor te draaien, moeten we de fasen in de gegeven modus inschakelen zodat deze correct roteert. Om de motor rechtsom te draaien, zullen we de fasen als volgt regelen: A1, B1, A2, B2. Om tegen de klok in te draaien, veranderen we eenvoudig de richting van de reeks in B2, A2, B1, A1. Dit is goed voor de basiscontrole, maar wat als u meer nauwkeurigheid en minder werk wilt? Laten we het hebben over het gebruik van een speciale driver om het een stuk eenvoudiger te maken!
Stap 5: Stepper Motor Driver Boards
Als u wilt beginnen met het besturen van bipolaire motoren (of unipolaire motoren in een bipolaire configuratie), moet u een speciale driverbesturingskaart nemen. De foto hierboven toont de Big Easy Driver en het draagbord voor de A4988 stappenmotor driver. Beide kaarten zijn printplaten voor de microstep tweepolige Allegro A4988 stappenmotor, die veruit een van de meest voorkomende chips is voor het aandrijven van kleine stappenmotoren. Naast de noodzakelijke dubbele h-bruggen voor het besturen van een bipolaire motor, bieden deze borden veel opties voor kleine, goedkope verpakkingen.
Installatie
Deze universele borden hebben een verbazingwekkend lage verbinding. U kunt beginnen met het besturen van de motor met slechts drie verbindingen (slechts twee GPIO's) met uw hoofdcontroller: gemeenschappelijke aarde, toonhoogte en richting. De stapstap en de richting ervan blijven zweven, dus u moet ze met een belastingsweerstand aan de referentiespanning binden. De puls die naar de STEP-pin wordt gestuurd, zal de motor één stap met een resolutie bewegen in overeenstemming met de microstep-referentiepennen. Het logische niveau op de DIR-pin bepaalt of de motor rechtsom of linksom draait.
Microstep-motor
Afhankelijk van hoe de pinnen M1, M2 en M3 zijn geïnstalleerd, kunt u door microstappen een verhoogde motorresolutie bereiken. De microstap omvat het verzenden van een verscheidenheid aan pulsen om de motor tussen de elektromagnetische resolutie van de fysieke magneten in de rotor te trekken, wat zorgt voor een zeer nauwkeurige regeling. A4988 kan van de volledige stap naar de resolutie van de zestiende stap gaan. Met onze 1.8 graden motor levert dit tot 3200 stappen per omwenteling. Praat over de kleine details!
Codes / bibliotheken
Motoren aansluiten kan eenvoudig zijn, maar hoe zit het met het besturen ervan? Bekijk deze kant-en-klare codebibliotheken voor stappenmotorbesturing:
Stepper - Met de klassieker die in de Arduino IDE is ingebouwd, kunt u een basisstap uitvoeren en de rotatiesnelheid regelen.
Accel stepper - Een veel completere bibliotheek waarmee u meerdere motoren beter kunt bedienen en zorgt voor de juiste acceleratie en vertraging van de motor.
Intel C ++ MRAA Stepper - Een bibliotheek op een lager niveau voor diegenen die zich willen verdiepen in het beheer van de onbewerkte C ++ -stappenmotor met Intel Edison.
Deze kennis zou voldoende moeten zijn om te begrijpen hoe u met stappenmotoren in de elektromechanische wereld kunt werken, maar dit is nog maar het begin.
