Arduino y motor paso a paso: fundamentos, esquemas, conexión y control.

Los motores paso a paso se utilizan para controlar la posición de algo o para rotar la unidad de trabajo a una velocidad y ángulo determinados. Tales características hicieron posible su uso en robótica, máquinas controladas numéricamente (CNC) y otros sistemas de automatización. En este artículo, consideraremos una serie de cuestiones relacionadas con la construcción de motores paso a paso y cómo controlarlos utilizando el microcontrolador Arduino.

El motor paso a paso difiere de lo habitual

Todos los motores eléctricos utilizados en la práctica funcionan debido a fenómenos y procesos electrodinámicos que ocurren en los campos magnéticos de rotores y estatores. Como ya hemos mencionado, cualquier motor consta de al menos dos partes: móvil (rotor) e inmóvil (estator). Para su rotación, es necesario que el campo magnético también gire. El campo del rotor gira después del campo del estator.

En principio, dicha información básica es suficiente para comprender la imagen general del funcionamiento de los motores eléctricos. Sin embargo, de hecho, la industria produce varias opciones de motorentre los cuales están:

1. Motor de inducción de jaula de ardilla o rotor bobinado.

2. Motor síncrono con bobinados de campo o con imanes permanentes.

3. Motor de corriente continua.

4. Motor de colector universal (funciona tanto en corriente continua como en corriente alterna, porque los devanados del rotor están conectados y desconectados de los contactos de la fuente de energía debido al diseño de laminillas y anclajes).

5. Motores de corriente continua sin escobillas (BLDC).

6. Servos.

7. Motores paso a paso.

Las dos últimas especies tienen un valor particular, debido a la posibilidad de su, en cierta medida, posicionamiento preciso en el espacio. Echemos un vistazo más de cerca al diseño del motor paso a paso.

Definición

Un motor paso a paso se llama motor síncrono sin escobillas. Una cierta cantidad de devanados se encuentran en el estator, cuya conexión hace que el rotor gire un cierto ángulo, dependiendo de la cantidad de pasos. En otras palabras, la corriente en el devanado del estator hace que el eje gire en un ángulo discreto.

Con un cambio uniforme y secuencial en la polaridad del voltaje a través de los devanados y la conmutación de los devanados energizados, el motor paso a paso gira, similar a un motor eléctrico convencional, aunque en realidad simplemente tiene lugar una rotación regular en un ángulo fijo.

El motor paso a paso a veces se llama motor. con un número finito de posiciones de rotor. No suena muy claro, vamos a resolverlo. Imagine un motor convencional: la posición de su rotor no está fija de ninguna manera, es decir, simplemente gira mientras la potencia está conectada, y cuando se apaga, se detiene después de un tiempo, dependiendo de su inercia. Las posiciones del rotor pueden ser tantas como desee, pero pueden diferir en las fracciones más pequeñas de un grado.

En un motor paso a paso, conectar un devanado o varios devanados provoca una "magnetización" del rotor con respecto a estos devanados. Exteriormente, se ve exactamente como girar el eje en un cierto ángulo (inclinación). Dado que el número de pasos es una de las características importantes de este tipo de accionamiento eléctrico, el número de posiciones del rotor es igual al número de pasos. Es difícil para los principiantes entender cómo puede ser esto y cómo gira en este caso; de hecho, todo es bastante simple, lo mostraremos en las ilustraciones y descripciones a continuación.

Construcción

Los devanados de excitación se fijan en el estator del motor eléctrico. Su rotor está hecho de materiales magnéticos blandos o magnéticos duros. El material del rotor depende del par y la fijación del eje con devanados desenergizados. Estos parámetros pueden ser críticos.

Por lo tanto, se distinguen los rotores magnéticamente sólidos (también tienen imanes permanentes) y los rotores magnéticamente blandos (reactivos), además de ellos hay rotores híbridos.

El rotor híbrido está hecho dentado, el número de dientes corresponde al número de pasos. Los dientes están ubicados a lo largo del eje del rotor. Además, dicho rotor está dividido en dos partes. Se instala un imán permanente entre ellos, por lo que cada una de las mitades del rotor es un polo magnético. También debería decirse que la mitad del rotor gira la mitad del paso de los dientes uno con respecto al otro.

Como ya se mencionó, dicho motor es síncrono, y el proceso de su rotación consiste en crear un campo giratorio del rotor, que el rotor magnético busca, y esto se logra cambiando los bobinados por el controlador a su vez.

Los tipos de motores paso a paso para el diseño de bobinados se dividen en tres grupos principales de acuerdo con el esquema de conexión de los bobinados:

1. Bipolar.

2. Unipolar.

3. Con cuatro devanados.

La mayoría de los motores eléctricos bipolares tienen 4 contactos: estas son conclusiones de dos devanados. Dentro del motor, en general, no están conectados entre sí. El principal problema es que es necesario asegurar el cambio de la polaridad de la alimentación, lo que significa que el controlador y el proceso de control en sí mismo se volverán más complicados.

Unipolar se asemeja a la conexión de los devanados de acuerdo con el patrón de la estrella. En otras palabras, tiene 5 conclusiones: 4 de ellas son los extremos de los devanados y 1 es el punto de conexión de todos los devanados.

Para controlar dicho motor, solo necesita suministrar energía alternativamente a cada extremo del devanado (o un par de ellos, dependiendo del modo de rotación seleccionado), de esta manera la mitad del devanado se alimentará cada vez. Puede funcionar en modo bipolar, si alimenta todo el devanado sin pasar por el grifo por el medio.

Los motores con 4 devanados tienen la ventaja de que puede conectar los devanados de la manera más conveniente para usted y obtener un motor bipolar y unipolar.

Modos de control

Hay 4 modos principales de control del motor paso a paso:

1. Control de olas.

2. Paso completo.

3. Medio paso.

4. Microstepping

Volnov El control se llama control de un devanado. Es decir Al mismo tiempo, la corriente fluye a través de uno de los devanados, de ahí dos características distintivas: bajo consumo de energía (esto es bueno) y bajo par (esto es malo).

En este caso, este motor toma 4 pasos en una revolución. Los motores reales dan docenas de pasos en una revolución, esto se logra mediante una gran cantidad de alternancias de polos magnéticos.

Gestión completa de pasos Es el más utilizado. Aquí, el voltaje se suministra no a un devanado, sino a dos a la vez. Si los devanados están conectados en paralelo, entonces la corriente se duplica, y si está en serie, la tensión de alimentación se duplica, respectivamente. Por un lado, en este método de control, el motor consume más energía, por otro lado, 100% de par, a diferencia del anterior.

Control de medio paso Es interesante porque es posible posicionar con mayor precisión el eje del motor, gracias al hecho de que se agregan mitades a los pasos completos, esto se logra combinando los dos modos de operación anteriores, y los devanados se alternan, luego se encienden en pares, luego uno a la vez.

Vale la pena considerar que el momento en el eje flota del 50 al 100%, dependiendo de si 1 o 2 dos devanados están involucrados en el momento.

Aún más preciso es microstepping. Es similar al anterior, pero difiere en que la potencia de los devanados no se suministra en su totalidad, sino que cambia gradualmente. Por lo tanto, el grado de impacto en el rotor de cada uno de los devanados cambia y el ángulo de rotación del eje en los pasos intermedios varía suavemente.

Donde conseguir un motor paso a paso

Siempre tendrá tiempo para comprar un motor paso a paso, pero los verdaderos aficionados a la radio, las personas caseras y los ingenieros electrónicos son famosos por el hecho de que pueden hacer algo útil con la basura. Seguramente tiene al menos un motor paso a paso en su hogar. Vamos a averiguar dónde buscar para encontrar un motor de este tipo.

1. La impresora.Los motores paso a paso pueden permanecer en la rotación del eje de alimentación de papel (pero también puede haber un motor de CC con un sensor de desplazamiento).

2. Escáneres y MFP. Los escáneres a menudo instalan un motor paso a paso y una parte mecánica a lo largo de la cual guía el carro, estas partes también pueden ser útiles para desarrollar una máquina CNC casera.

3. Unidades de CD y DVD. También puede obtener varillas y ejes de tornillo para productos caseros y varios CNC en ellos.

4. Unidades de disquete. Los disquetes también tienen motores paso a paso, especialmente los disquetes del formato de 5,25 ”.

Conductor de motor paso a paso

Para controlar los motores paso a paso, utilice microcircuitos de controlador especializados. Principalmente este es un puente H de transistores. Gracias a esta inclusión, se hace posible encender el voltaje de la polaridad deseada para el devanado. Estos chips también son adecuados para controlar motores de CC con soporte para cambiar la dirección de rotación.

En principio, motores muy pequeños pueden arrancarse directamente de los pines del microcontrolador, pero generalmente dan hasta 20-40 mA, que en la mayoría de los casos no es suficiente. Por lo tanto, aquí hay algunos ejemplos de controladores para motores paso a paso:

1. Tableros basados ​​en L293D. Hay muchos de ellos, uno de ellos se vende bajo la marca nacional Amperka con el nombre Troyka Stepper, un ejemplo de su uso en un proyecto real se muestra en el siguiente video. La ventaja de esta placa en particular es que tiene chips lógicos que pueden reducir la cantidad de pines utilizados para controlarla.

El chip en sí opera bajo un voltaje de 4.5-36V y produce una corriente de hasta 600mA-1A, dependiendo del caso de IC.

2. Controlador basado en A4988. Está alimentado por un voltaje de hasta 35 V, puede soportar corrientes de hasta 1 A sin un radiador y con un radiador de hasta 2 A. Puede controlar el motor, tanto en pasos completos como en partes: desde 1/16 de paso a 1 paso, solo 5 opciones. Contiene dos puentes H. Usando la resistencia de sintonización (vista en la foto de la derecha), puede configurar la corriente de salida.

El tamaño del paso lo establecen las señales en las entradas MS1, MS2, MS3.

Aquí hay un diagrama de su conexión, cada pulso en la entrada STEP configura el motor para rotar 1 paso o un micropaso.

3. El controlador basado en ULN2003 funciona con motores de 5 y 12 V y produce una corriente de hasta 500 mA. En la mayoría de las placas, hay 4 LED que indican el funcionamiento de cada canal.

También en la placa se puede ver el bloque de terminales para conectar motores, por cierto, muchos de ellos se venden con este conector. Un ejemplo de tal motor es un modelo de 5V: 28BYJ-48.

Y estas no son todas las opciones de controlador para motores paso a paso, de hecho, hay aún más.

Conexión al controlador Arduino y al motor paso a paso.

En la mayoría de los casos, debe usar un microcontrolador emparejado con un controlador para un motor paso a paso. Veamos el diagrama de conexión y los ejemplos de código. Considere una conexión basada en el último controlador enumerado: ULN2003 a la placa Arduino. Y entonces tiene 4 entradas, están firmadas como IN1, IN2, etc. Deben estar conectados a los pines digitales de la placa Arduino, y un motor debe estar conectado al controlador como se muestra en la figura a continuación.

Además, según el método de control, debe aplicar a las entradas 1 o 0 de estos pines, incluidos 1 o 2 devanados en la secuencia requerida. El código para el programa de control de pasos completos se ve así:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

configuración nula () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

bucle vacío () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, ALTO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, ALTO);

retraso (dl);

}

 

Incluye bobinados en la siguiente secuencia:

Aquí está el código para el modo de medio paso, como puede ver, es mucho más voluminoso, ya que involucra una mayor cantidad de bobinados de conmutación.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

configuración nula () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

bucle vacío () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, BAJO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, ALTO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, ALTO);

retraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, ALTO);

retraso (dl);

}

 

Este programa incluye devanados de la siguiente manera:

Para consolidar la información recibida, mire el video útil:

Conclusión

Los motores paso a paso son populares entre los arduins junto con servos, porque te permiten crear robots y máquinas CNC. Esto último es ayudado por la abundancia en el mercado secundario de unidades de disco óptico usadas súper baratas.