Si alguna vegada heu tingut el plaer de desmuntar una impressora antiga per desar-la electrònica Components, podeu trobar molts misteriosos motors cilíndrics amb 4 o més cables sobresortint dels costats. Heu sentit un sonor típic d’una impressora 3D d’escriptori o una simfonia de discos electromecànica errada en una unitat de CD? Si és així, doncs teniu un motor pas a pas!
Els motors pas a pas fan que el món electromecànic faci girar (amb un parell més alt!), Però a diferència d’un motor de corrent continu, el control d’un motor pas a pas requereix una mica més que el corrent a través de dos cables. Aquest article parlarà de la teoria del disseny i el funcionament d’un motor pas a pas. Tan aviat com tinguem en compte els fonaments bàsics, l’autor d’aquesta guia mostrarà com es poden crear circuits senzills per controlar motors pas a pas i, a continuació, com s’utilitzen microcircuits especials per als conductors.
Pas 1: Què fa que un motor sigui un motor pas a pas?
Qui pot necessitar més de dos cables i un pont H? Per què? Doncs bé, a diferència dels motors de raspall DC convencionals construïts per màxima RPM (o kV per RC), els motors pas a pas són motors sense raspall dissenyats per a un parell elevat (posteriorment menor velocitat) i un moviment de rotació més precís. Si bé un motor de corrent continu és ideal per girar l’hèlix a gran velocitat per aconseguir la màxima tracció, un motor pas a pas és millor per rodar una fulla de paper en sincronització amb el mecanisme d’injecció de tinta dins de la impressora o per girar amb cura l’eix ferroviari lineal en un molí CNC.
Al seu interior, els motors pas a pas són més complexos que un simple motor de corrent continu, amb diverses bobines al voltant del nucli amb imants permanents, però amb aquesta complexitat afegida es proporciona més control. Degut a la disposició acurada de les bobines incorporades a l’estator, el rotor del motor pas a pas pot girar amb un pas determinat, canviant la polaritat entre les bobines i canviant la seva polaritat d’acord amb l’esquema d’encesa establert. No tots els motors pas a pas són iguals, i per a la seva execució interna calen esquemes únics (però bàsics). En el següent pas parlarem dels tipus més habituals de motors pas a pas.
Pas 2: Tipus de motors Stepper
Hi ha diversos dissenys de motors pas a pas. Aquests inclouen resistència unipolar, bipolar, universal i variable. Discutirem el disseny i funcionament de motors bipolars i unipolars, ja que aquest és el tipus de motor més comú.
Motor unipolar
Els motors unipolars solen tenir cables de cinc, sis o vuit fils procedents de la base i una bobina per fase. En el cas d’un motor de cinc fils, el cinquè filferro és una branca central connectada dels parells de bobines. En un motor de sis fils, cada parell de bobines té la seva pròpia aixeta central. En un motor de vuit fils, cada parell de bobines està completament separat de les altres, cosa que permet connectar-la en diverses configuracions. Aquests cables addicionals permeten conduir motors unipolars directament des d’un controlador extern amb transistors simples per controlar cada bobina per separat. Un circuit d’encesa en el qual es condueix cada bobina determina el sentit de gir de l’eix del motor. Malauradament, atès que només s’ofereix una bobina alhora, el pare de retenció d’un motor unipolar serà sempre inferior al d’un motor bipolar de la mateixa mida. Superant les aixetes centrals d’un motor unipolar, ara pot funcionar com a motor bipolar, però això requerirà un esquema de control més complex. Al quart pas d’aquest article, impulsarem un motor unipolar, que hauria d’aclarir alguns dels conceptes presentats anteriorment.
Motor bipolar
Els motors bipolars tenen normalment quatre fils i són més durables que un motor unipolar de mida comparativa, però com que només tenim una bobina per fase, hem de fer girar el corrent a través de les bobines per fer un pas. La necessitat de canviar el corrent significa que ja no podrem controlar les bobines directament amb un sol transistor, sinó un circuit complet de pont h. La construcció del pont h correcte és tediosa (sense oblidar-ne dos!), Per la qual cosa utilitzarem un motorista bipolar dedicat (vegeu el pas 5).
Pas 3: comprensió de les especificacions del motor Stepper
Parlem de com determinar les especificacions del motor. Si heu trobat un motor quadrat amb un conjunt específic de tres peces (vegeu la figura tres), és molt probable que sigui un motor NEMA. L'Associació Nacional de Fabricants Elèctrics té una norma específica per a especificacions del motor que utilitza un codi de lletres senzill per determinar el diàmetre del front del motor, el tipus de muntatge, la longitud, el corrent de fase, la temperatura de funcionament, la tensió de fase, els passos de revolució i el cablejat.
Llegiu el passaport del motor
Per al següent pas s’utilitzarà aquest motor unipolar. A la part superior hi ha una taula de dades. I tot i que és concisa, ens proporciona tot el que necessitem per al bon funcionament. Vegem què hi ha a la llista:
Fase: Es tracta d’un motor unipolar de quatre fases. Internament, el motor pot tenir qualsevol nombre de bobines reals, però en aquest cas s’agrupen en quatre fases, que es poden controlar de manera independent.
Tang angle: Amb una resolució aproximada d’1,8 graus per pas, obtenim 200 passos per revolució. Tot i que es tracta d’una resolució mecànica, amb l’ajuda de la micro junció, podem augmentar aquesta resolució sense cap canvi al motor (més informació sobre això al pas 5).
Voltatge: La tensió nominal d’aquest motor és de 3 volts. Aquesta és una funció del corrent i de la resistència nominal del motor (llei d’Ohm V = IR, per tant 3V = 2A * 1.5Ω)
Actual: Quanta corrent necessita aquest motor? Dos amperes per fase. Aquesta xifra serà important a l’hora d’escollir els nostres transistors d’alimentació per a un circuit bàsic de control.
Resistència: 1,5 ohms per fase limitarà el corrent que podem subministrar a cada fase.
Inductància: 2,5 mH. La naturalesa inductiva de les bobines del motor limita la velocitat de càrrega de les bobines.
Moment de retenció: és la quantitat de força real que podem crear quan s’aplica tensió al motor pas a pas.
Moment de retenció: és el moment de retenció que podem esperar del motor quan no s’encén.
Classe d’aïllament: La classe B forma part de l’estàndard NEMA i ens dóna una qualificació de 130 graus centígrads. Els motors pas a pas són molt eficients i el consum constant de corrent màxim significa que s’escalfaran durant un funcionament normal.
Indicadors de bobinat: diàmetre del filferro 0,644 mm., Nombre de voltes de diàmetre 15,5, secció transversal 0,326 mm2
Detecció de parells de bobines
Tot i que la resistència dels bobinats de la bobina pot variar de motor a motor, si teniu un multímetre, podeu mesurar la resistència en dos cables, si la resistència és <10 Ohms, probablement hagueu trobat un parell. Es tracta bàsicament d’un procés d’error d’assaig, però hauria de funcionar per a la majoria dels motors a menys que tingueu un número de part / especificació.
Pas 4: control directe de motors pas a pas
A causa de la ubicació dels cables en un motor unipolar, podem encendre seqüencialment les bobines utilitzant només MOSFETs de potència simple. La figura superior mostra un circuit senzill amb transistor MOS. Aquest arranjament permet controlar el nivell lògic simplement mitjançant un microcontrolador extern. En aquest cas, la manera més fàcil és utilitzar una placa Intel Edison amb un tauler de pedaç basat en l'estil. Arduinoper accedir fàcilment a la GPIO (ho farà qualsevol micro amb quatre GPIO). Per a aquest circuit s'utilitza el MOSFET d'alta potència IRF510 del canal N. L’IRF510, capaç de consumir fins a 5,6 amperis, tindrà una potència lliure suficient per satisfer els requisits del motor de 2 amperis. No es necessiten leds, però us donaran una bona confirmació visual de la seqüència de treball. És important tenir en compte que l'IRF510 ha de tenir un nivell lògic d'almenys 5 V perquè pugui consumir corrent suficient per al motor. La potència del motor en aquest circuit serà de 3 V.
Seqüència de treball
El control complet d’un motor unipolar amb aquesta configuració és molt senzill. Per poder girar el motor, hem d’encendre les fases en el mode donat perquè giri correctament. Per girar el motor en el sentit de les agulles del rellotge, controlarem les fases de la manera següent: A1, B1, A2, B2. Per girar en sentit antihorari, simplement canviem la direcció de la seqüència a B2, A2, B1, A1. Això és bo per al control bàsic, però què passa si voleu més precisió i menys treball? Parlem d’utilitzar un controlador dedicat per facilitar les coses.
Pas 5: taulers de conductors del motor pas a pas
Si voleu començar a controlar motors bipolars (o motors unipolars en una configuració bipolar), heu d’agafar un tauler de control especial. La foto de dalt mostra el gran controlador fàcil i la placa portadora del conductor de motor pas a pas A4988. Ambdues plaques són plaques de circuit imprès per al conductor pas a pas Allegro A4988 de dos pals microstep, que és de lluny un dels xips més habituals per a la conducció de motors pas a pas petits. A més de disposar dels ponts h duals necessaris per controlar un motor bipolar, aquestes juntes ofereixen moltes opcions per a embalatges minúscules i econòmics.
Instal·lació
Aquests taulers universals tenen una connexió increïblement baixa. Podeu començar a controlar el motor utilitzant només tres connexions (només dues GPIO) amb el vostre controlador principal: terra comuna, pas i direcció. El pas de pas i la seva direcció romanen flotant, de manera que cal unir-los a la tensió de referència amb una resistència de càrrega. El pols enviat al passador STEP mourà el motor un pas a una resolució d'acord amb els pins de referència del microstep. El nivell de lògica del pin DIR determina si el motor girarà en sentit horari o en sentit antihorari.
Motor de Microstep
Depenent de com s’instal·lin els pins M1, M2 i M3, podeu aconseguir una resolució del motor augmentada per microstrip. El microstep inclou l'enviament d'una gran varietat de polsos per estirar el motor entre la resolució electromagnètica dels imants físics del rotor, proporcionant un control molt precís. A4988 pot anar des del pas complet a la resolució del setzè pas. Amb el nostre motor de 1,8 graus, això proporcionarà fins a 3200 passos per revolució. Parlem dels petits detalls!
Codis / Biblioteques
La connexió de motors pot ser fàcil, però, què passa amb el control dels mateixos? Consulteu aquestes biblioteques de codis ja preparades per al control del motor pas a pas:
Stepper - El clàssic integrat a l'ID Arduino permet realitzar un pas bàsic i controlar la velocitat de rotació.
Accel stepper - Una biblioteca molt més completa que permet controlar millor diversos motors i proporciona la correcta acceleració i desacceleració del motor.
Intel C ++ MRAA Stepper - Una biblioteca de nivell inferior per a aquells que vulguin aprofundir en la gestió del motor pas a pas C ++ brut utilitzant Intel Edison.
Aquest coneixement hauria de ser suficient per comprendre com es pot treballar amb motors pas a pas en el món electromecànic, però aquest és només el començament.
