Se hai mai avuto il piacere di smantellare una vecchia stampante da salvare elettronico componenti, potresti incontrare molti motori cilindrici misteriosi con 4 o più fili che sporgono dai lati. Hai sentito il ronzio tipico di una stampante 3D desktop o la sinfonia elettromeccanica difettosa dei dischi in un'unità CD? Se è così, allora sei di fronte a un motore passo-passo!
I motori passo-passo fanno ruotare il mondo elettromeccanico (con una coppia maggiore!), Ma a differenza di un motore DC convenzionale, il controllo di un motore passo-passo richiede un po 'più della corrente attraverso due fili. Questo articolo parlerà della teoria della progettazione e del funzionamento di un motore passo-passo. Non appena considereremo le basi, l'autore di questa guida mostrerà come costruire circuiti semplici per il controllo dei motori passo-passo e quindi come utilizzare microcircuiti speciali del driver.
Step 1: Cosa rende un motore un motore passo-passo?
Chi potrebbe aver bisogno di più di due fili e un ponte a H? Perché? Bene, a differenza dei motori a spazzole DC convenzionali costruiti per il massimo numero di giri (o kV per RC), i motori passo-passo sono motori brushless progettati per una coppia elevata (successivamente velocità inferiore) e un movimento di rotazione più accurato. Mentre un tipico motore a corrente continua è ottimo per ruotare l'elica ad alta velocità per ottenere la massima trazione, un motore passo-passo è migliore per far rotolare un foglio di carta in sincronia con il meccanismo a getto d'inchiostro all'interno della stampante o per ruotare con attenzione l'albero della guida lineare in un mulino a controllo numerico.
All'interno, i motori passo-passo sono più complessi di un semplice motore a corrente continua, con diverse bobine attorno al nucleo con magneti permanenti, ma con questa complessità aggiuntiva viene fornito un maggiore controllo. Grazie all'attenta disposizione delle bobine incorporate nello statore, il rotore del motore passo-passo può ruotare con un determinato passo, cambiando la polarità tra le bobine e cambiando la loro polarità secondo lo schema di accensione stabilito. I motori passo-passo non sono tutti uguali e per la loro esecuzione interna sono richiesti schemi unici (ma di base). Discuteremo i tipi più comuni di motori passo-passo nel prossimo passaggio.
Step 2: Tipi di motori passo-passo
Esistono diversi design di motori passo-passo. Questi includono resistenza unipolare, bipolare, universale e variabile. Discuteremo della progettazione e del funzionamento dei motori bipolari e unipolari, poiché questo è il tipo più comune di motore.
Motore unipolare
I motori unipolari di solito hanno cinque, sei o otto fili provenienti dalla base e una bobina per fase. Nel caso di un motore a cinque fili, il quinto filo è rappresentato dai rubinetti centrali collegati delle coppie di bobine. In un motore a sei fili, ogni coppia di bobine ha il proprio rubinetto centrale. In un motore a otto fili, ciascuna coppia di bobine è completamente separata dalle altre, il che consente di collegarla in varie configurazioni. Questi fili aggiuntivi consentono di pilotare motori unipolari direttamente da un controller esterno con semplici transistor per controllare ciascuna bobina separatamente. Un circuito di accensione in cui viene azionata ciascuna bobina determina il senso di rotazione dell'albero motore. Sfortunatamente, dato che viene fornita una sola bobina alla volta, la coppia di tenuta di un motore unipolare sarà sempre inferiore a quella di un motore bipolare della stessa dimensione. Bypassando le prese centrali di un motore unipolare, ora può funzionare come un motore bipolare, ma ciò richiederà uno schema di controllo più complesso. Nella quarta fase di questo articolo, guideremo un motore unipolare, che dovrebbe chiarire alcuni dei concetti presentati sopra.
Motore bipolare
I motori bipolari in genere hanno quattro fili e sono più durevoli di un motore unipolare di dimensioni comparative, ma poiché abbiamo solo una bobina per fase, dobbiamo passare la corrente attraverso le bobine per fare un passo. La nostra necessità di cambiare la corrente significa che non saremo più in grado di controllare le bobine direttamente con un singolo transistor, invece di un circuito h-bridge completo. Costruire il ponte h giusto è noioso (per non parlare dei due!), Quindi useremo un driver per motore bipolare dedicato (vedi Passaggio 5).
Passaggio 3: comprensione delle specifiche del motore passo-passo
Parliamo di come determinare le specifiche del motore. Se ti sei imbattuto in un motore quadrato con un assieme a tre pezzi specifico (vedi Figura tre), è molto probabile che sia un motore NEMA. L'Associazione nazionale dei produttori elettrici ha uno standard specifico per le specifiche del motore che utilizza un semplice codice di lettere per determinare il diametro del pannello anteriore del motore, il tipo di montaggio, la lunghezza, la corrente di fase, la temperatura di funzionamento, la tensione di fase, i passaggi di rivoluzione e il cablaggio.
Leggi il passaporto del motore
Per il passaggio successivo, verrà utilizzato questo motore unipolare. Sopra è una tabella di dati. E sebbene sia conciso, ci fornisce tutto ciò di cui abbiamo bisogno per un corretto funzionamento. Diamo un'occhiata a ciò che è nell'elenco:
Fase: questo è un motore unipolare a quattro fasi. Il motore interno può avere un numero qualsiasi di bobine reali, ma in questo caso sono raggruppate in quattro fasi, che possono essere controllate in modo indipendente.
Inclinazione angolare: con una risoluzione approssimativa di 1,8 gradi per passo, otteniamo 200 passi per giro. Sebbene si tratti di una risoluzione meccanica, con l'aiuto della micro-giunzione è possibile aumentare questa risoluzione senza apportare modifiche al motore (ulteriori informazioni al punto 5).
Tensione: la tensione nominale di questo motore è di 3 volt. Questa è una funzione della corrente e della resistenza nominale del motore (legge di Ohm V = IR, quindi 3V = 2A * 1.5Ω)
Corrente: quanta corrente ha bisogno questo motore? Due ampere per fase! Questa cifra sarà importante quando si scelgono i nostri transistor di potenza per il circuito di controllo di base.
Resistenza: 1,5 ohm per fase limiterà la corrente che possiamo fornire a ciascuna fase.
Induttanza: 2,5 mH. La natura induttiva delle bobine del motore limita la velocità di carica delle bobine.
Momento di trattenimento: questa è la forza effettiva che possiamo creare quando viene applicata tensione al motore passo-passo.
Momento di trattenimento: questo è il momento di trattenuta che possiamo aspettarci dal motore quando non è eccitato.
Classe di isolamento: la classe B fa parte dello standard NEMA e ci fornisce una valutazione di 130 gradi Celsius. I motori passo-passo non sono molto efficienti e il consumo costante della massima corrente significa che diventeranno molto caldi durante il normale funzionamento.
Indicatori di avvolgimento: diametro filo 0,644 mm., Numero di spire diametro 15,5, sezione 0,326 mm2
Rilevamento della coppia di bobine
Sebbene la resistenza degli avvolgimenti della bobina possa variare da motore a motore, se si dispone di un multimetro, è possibile misurare la resistenza su due fili qualsiasi, se la resistenza è <10 Ohm, probabilmente è stata trovata una coppia! Questo è fondamentalmente un processo di errore di prova, ma dovrebbe funzionare per la maggior parte dei motori a meno che non si disponga di un numero di parte / specifica.
Passaggio 4: controllo diretto dei motori passo-passo
A causa della posizione dei fili in un motore unipolare, possiamo accendere sequenzialmente le bobine usando solo semplici MOSFET di potenza. La figura sopra mostra un semplice circuito con un transistor MOS. Questa disposizione consente di controllare semplicemente il livello logico utilizzando un microcontrollore esterno. In questo caso, il modo più semplice è utilizzare una scheda madre Intel Edison con uno stile di circuito stampato Arduinoper ottenere un facile accesso al GPIO (tuttavia, qualsiasi micro con quattro GPIO lo farà). Il MOSFET IRF510 ad alta potenza a canale N viene utilizzato per questo circuito. L'IRF510, in grado di consumare fino a 5,6 ampere, avrà abbastanza potenza libera per soddisfare le esigenze del motore a 2 ampere. I LED non sono necessari, ma ti daranno una buona conferma visiva della sequenza di lavoro. È importante notare che l'IRF510 deve avere un livello logico di almeno 5 V in modo che possa consumare corrente sufficiente per il motore. La potenza del motore in questo circuito sarà di 3 V.
Sequenza di lavoro
Il pieno controllo di un motore unipolare con questa impostazione è molto semplice. Per ruotare il motore, è necessario attivare le fasi nella modalità indicata in modo che ruoti correttamente. Per ruotare il motore in senso orario, controlleremo le fasi come segue: A1, B1, A2, B2. Per ruotare in senso antiorario, cambiamo semplicemente la direzione della sequenza in B2, A2, B1, A1. Questo è utile per il controllo di base, ma cosa succede se si desidera una maggiore precisione e meno lavoro? Parliamo dell'utilizzo di un driver dedicato per rendere le cose molto più semplici!
Passaggio 5: schede driver del motore passo-passo
Se si desidera iniziare a controllare i motori bipolari (o motori unipolari in una configurazione bipolare), è necessario prendere una scheda di controllo del driver speciale. La foto sopra mostra il Big Easy Driver e la scheda portante per il driver del motore passo-passo A4988. Entrambe queste schede sono circuiti stampati per il driver del motore passo-passo Allegro A4988 a due poli microstep, che è di gran lunga uno dei chip più comuni per la guida di piccoli motori passo-passo. Oltre a disporre dei doppi ponti h necessari per il controllo di un motore bipolare, queste schede offrono molte opzioni per imballaggi piccoli ed economici.
montaggio
Queste schede universali hanno una connessione incredibilmente bassa. Puoi iniziare a controllare il motore usando solo tre connessioni (solo due GPIO) con il tuo controller principale: terra, inclinazione e direzione comuni. Il passo del passo e la sua direzione rimangono fluttuanti, quindi è necessario collegarli alla tensione di riferimento con una resistenza di carico. L'impulso inviato al pin STEP sposta il motore di un passo a una risoluzione secondo i pin di riferimento del microstep. Il livello logico sul pin DIR determina se il motore ruoterà in senso orario o antiorario.
Motore microstep
A seconda di come sono installati i pin M1, M2 e M3, è possibile ottenere una maggiore risoluzione del motore tramite microsteping. Il microstep include l'invio di una varietà di impulsi per trascinare il motore tra la risoluzione elettromagnetica dei magneti fisici nel rotore, fornendo un controllo molto preciso. A4988 può passare dal passaggio completo alla risoluzione del sedicesimo passaggio. Con il nostro motore da 1,8 gradi, questo fornirà fino a 3200 passi per giro. Parla dei piccoli dettagli!
Codici / Librerie
Il collegamento dei motori può essere semplice, ma per quanto riguarda il loro controllo? Dai un'occhiata a queste librerie di codici già pronte per il controllo del motore passo-passo:
stepper - Il classico integrato nell'IDE di Arduino consente di eseguire un passaggio di base e controllare la velocità di rotazione.
Accel stepper - Una libreria molto più completa che ti consente di controllare meglio più motori e fornisce la corretta accelerazione e decelerazione del motore.
Stepper Intel C ++ MRAA - Una libreria di livello inferiore per coloro che desiderano approfondire la gestione del motore passo-passo C ++ grezzo utilizzando Intel Edison.
Questa conoscenza dovrebbe essere sufficiente per capire come lavorare con i motori passo-passo nel mondo elettromeccanico, ma questo è solo l'inizio.
