Arduino e motore passo-passo: basi, schemi, connessione e controllo

I motori passo-passo vengono utilizzati per controllare la posizione di qualcosa o per ruotare l'unità di lavoro da una determinata velocità e angolazione. Tali caratteristiche hanno permesso di utilizzarlo in robotica, macchine a controllo numerico (CNC) e altri sistemi di automazione. In questo articolo considereremo una serie di problemi relativi alla costruzione di motori passo-passo e su come controllarli utilizzando il microcontrollore Arduino.

Il motore passo-passo è diverso dal solito

Tutti i motori elettrici utilizzati nella pratica funzionano a causa di fenomeni elettrodinamici e processi che si verificano nei campi magnetici di rotori e statori. Come abbiamo già detto, qualsiasi motore è composto da almeno due parti: mobile (rotore) e immobile (statore). Per la sua rotazione, è necessario che anche il campo magnetico ruoti. Il campo del rotore ruota dopo il campo dello statore.

In linea di principio, tali informazioni di base sono sufficienti per comprendere il quadro generale del funzionamento dei motori elettrici. Tuttavia, in effetti, l'industria produce varie opzioni del motoretra cui ci sono:

1. Motore a induzione con rotore a gabbia di scoiattolo.

2. Motore sincrono con avvolgimenti di campo o con magneti permanenti.

3. Motore DC.

4. Motore universale del collettore (funziona sia in corrente continua che in corrente alternata, poiché gli avvolgimenti del rotore stessi sono collegati e scollegati dai contatti della fonte di alimentazione a causa della progettazione di lamelle e ancore).

5. Motori DC senza spazzole (BLDC).

6. Servi.

7. Motori passo-passo.

Le ultime due specie hanno un valore particolare, a causa della possibilità, in una certa misura, di un posizionamento accurato nello spazio. Diamo un'occhiata più da vicino al design del motore passo-passo.

definizione

Un motore passo-passo è chiamato un motore sincrono senza spazzole. Un certo numero di avvolgimenti si trova sullo statore, la cui connessione provoca la rotazione del rotore di un certo angolo, a seconda del numero di passi. In altre parole, la corrente nell'avvolgimento dello statore fa ruotare l'albero ad un angolo discreto.

Con una variazione uniforme e sequenziale della polarità della tensione attraverso gli avvolgimenti e la commutazione degli avvolgimenti eccitati, il motore passo-passo ruota, in modo simile a un motore elettrico convenzionale, sebbene in realtà avvenga semplicemente una rotazione regolare ad angolo fisso.

Il motore passo-passo viene talvolta chiamato motore. con un numero finito di posizioni del rotore. Non sembra molto chiaro, scopriamolo. Immagina un motore convenzionale: la posizione del suo rotore non è fissata in alcun modo, cioè ruota semplicemente mentre l'alimentazione è collegata e, quando si spegne, si arresta dopo un po 'di tempo, a seconda della sua inerzia. Le posizioni del rotore possono essere quante ne vuoi, ma possono differire per le frazioni più piccole di un grado.

In un motore passo-passo, il collegamento di un avvolgimento o di più avvolgimenti provoca la "magnetizzazione" del rotore rispetto a questi avvolgimenti. Esternamente, sembra esattamente come ruotare l'albero di un certo angolo (inclinazione). Poiché il numero di passi è una delle caratteristiche importanti di questo tipo di azionamento elettrico, il numero di posizioni del rotore è uguale al numero di passi. È difficile per i principianti capire come può essere, e come ruota in questo caso - in effetti, tutto è abbastanza semplice, lo mostreremo nelle illustrazioni e nelle descrizioni seguenti.

disegno

Gli avvolgimenti di eccitazione sono fissati sullo statore del motore elettrico. Il suo rotore è realizzato con materiali magnetici morbidi o magnetici. Il materiale del rotore dipende dalla coppia e dal fissaggio dell'albero con avvolgimenti diseccitati. Questi parametri possono essere critici.

Pertanto, si distinguono i rotori magneticamente solidi (sono anche con magneti permanenti) e quelli magneticamente morbidi (reattivi), oltre a loro ci sono rotori ibridi.

Il rotore ibrido è dentato, il numero di denti corrisponde al numero di passi. I denti si trovano lungo l'asse del rotore. Inoltre, un tale rotore è diviso in due parti. Un magnete permanente è installato tra di loro, quindi ciascuna delle metà del rotore è un polo magnetico. Va anche detto che metà del rotore viene ruotata della metà del passo dei denti l'uno rispetto all'altro.

Come già accennato, un tale motore è sincrono e il processo della sua rotazione è quello di creare un campo rotante del rotore, che il rotore magnetico cerca, e questo viene realizzato cambiando gli avvolgimenti dal controller a sua volta.

I tipi di motori passo-passo per la progettazione degli avvolgimenti sono divisi in tre gruppi principali secondo lo schema di connessione degli avvolgimenti:

1. Bipolare.

2. Unipolare.

3. Con quattro avvolgimenti.

La maggior parte dei motori elettrici bipolari ha 4 contatti: queste sono conclusioni di due avvolgimenti. All'interno del motore, sono generalmente non collegati tra loro. Il problema principale è che è necessario garantire la commutazione della polarità dell'alimentazione, il che significa che il processo di guida e controllo stesso diventerà più complicato.

Unipolare assomiglia al collegamento degli avvolgimenti secondo il modello della stella. In altre parole, hai 5 conclusioni: 4 di esse sono le estremità degli avvolgimenti e 1 è il punto di connessione di tutti gli avvolgimenti.

Per controllare un tale motore, devi solo fornire alternativamente energia a ciascuna estremità dell'avvolgimento (o un paio di loro, a seconda della modalità di rotazione selezionata), in questo modo metà dell'avvolgimento sarà alimentato ogni volta. Può funzionare in modalità bipolare, se si alimenta l'intero avvolgimento bypassando completamente il rubinetto dal suo centro.

I motori con 4 avvolgimenti hanno il vantaggio di poter collegare gli avvolgimenti in qualsiasi modo conveniente per te e ottenere sia un motore bipolare che unipolare.

Modalità di controllo

Esistono 4 principali modalità di controllo del motore passo-passo:

1. Controllo delle onde.

2. Passaggio completo.

3. Mezzo passo.

4. Microstepping

onda il controllo è chiamato controllo di un avvolgimento. ie allo stesso tempo, la corrente scorre attraverso uno degli avvolgimenti, quindi due caratteristiche distintive: basso consumo di energia (questo è buono) e bassa coppia (questo è cattivo).

In questo caso, questo motore compie 4 passaggi in un giro. I motori reali eseguono decine di passaggi in un giro, ciò è ottenuto da un gran numero di alternanze di poli magnetici.

Gestione completa dei passaggi è il più comunemente usato. Qui, la tensione viene fornita non a un avvolgimento, ma a due contemporaneamente. Se gli avvolgimenti sono collegati in parallelo, la corrente raddoppia e, se in serie, la tensione di alimentazione raddoppia, rispettivamente. Da un lato, in questo metodo di controllo, il motore consuma più energia, dall'altro, una coppia del 100%, a differenza del precedente.

Controllo a mezzo passo È interessante il fatto che diventa possibile posizionare in modo più preciso l'albero motore, a causa del fatto che le metà vengono aggiunte a interi passaggi, ciò si ottiene combinando le due precedenti modalità di funzionamento e gli avvolgimenti si alternano, quindi si accendono in coppia, quindi uno alla volta.

Vale la pena considerare che il momento sull'albero fluttua dal 50 al 100%, a seconda che al momento siano coinvolti 1 o 2 due avvolgimenti.

È ancora più preciso microstepping. È simile al precedente, ma differisce dal fatto che la potenza degli avvolgimenti non viene fornita nella misura massima, ma cambia gradualmente. Pertanto, il grado di impatto sul rotore di ciascuno degli avvolgimenti cambia e l'angolo di rotazione dell'albero nelle fasi intermedie varia uniformemente.

Dove trovare un motore passo-passo

Avrai sempre il tempo di comprare un motore passo-passo, ma i veri radioamatori, le persone fatte in casa e gli ingegneri elettronici sono famosi per il fatto che possono fare qualcosa di utile con la spazzatura. Sicuramente hai almeno un motore passo-passo a casa tua. Scopriamo dove cercare per trovare un tale motore.

1. La stampante.I motori passo-passo possono sopportare la rotazione dell'albero di alimentazione della carta (ma potrebbe esserci anche un motore a corrente continua con un sensore di spostamento).

2. Scanner e multifunzione. Gli scanner installano spesso un motore passo-passo e una parte meccanica lungo la quale guidano i carrelli, queste parti possono anche essere utili nello sviluppo di una macchina CNC fatta in casa.

3. Unità CD e DVD. È inoltre possibile ottenere aste e alberi per viti per prodotti fatti in casa e vari CNC.

4. Unità floppy. I floppy disk hanno anche motori stepper, in particolare file floppy del formato 5,25 ".

Driver per motore passo-passo

Per controllare i motori passo-passo utilizzare microcircuiti di driver specializzati. Principalmente si tratta di un ponte a H di transistor. Grazie a questa inclusione, diventa possibile attivare la tensione della polarità desiderata per l'avvolgimento. Questi chip sono adatti anche per il controllo di motori a corrente continua con supporto per la modifica del senso di rotazione.

In linea di principio, i motori molto piccoli possono essere avviati direttamente dai pin del microcontrollore, ma in genere forniscono fino a 20-40 mA, che nella maggior parte dei casi non è sufficiente. Pertanto, ecco alcuni esempi di driver per motori passo-passo:

1. Schede basate su L293D. Ce ne sono molti, uno è venduto con il marchio nazionale Amperka sotto il nome di Troyka Stepper, un esempio del suo utilizzo in un vero progetto è mostrato nel video qui sotto. Il vantaggio di questa particolare scheda è che ha chip logici che possono ridurre il numero di pin utilizzati per controllarlo.

Il chip stesso funziona con una tensione di 4,5-36 V e produce una corrente fino a 600 mA-1 A, a seconda del caso IC.

2. Driver basato su A4988. È alimentato fino a 35 V, può sopportare correnti fino a 1 A senza un radiatore e con un radiatore fino a 2 A. Può controllare il motore, sia in passaggi interi che in parti - da 1/16 step a 1 step, solo 5 opzioni. Contiene due ponti H. Usando il resistore di sintonia (visto nella foto a destra), è possibile impostare la corrente di uscita.

La dimensione del passo è impostata dai segnali sugli ingressi MS1, MS2, MS3.

Ecco un diagramma della sua connessione, ogni impulso all'ingresso STEP imposta il motore in modo che ruoti di 1 passo o di un microstep.

3. Il driver basato su ULN2003 funziona con motori a 5 e 12 V e produce una corrente fino a 500 mA. Sulla maggior parte delle schede sono presenti 4 LED che indicano il funzionamento di ciascun canale.

Inoltre sulla scheda puoi vedere la morsettiera per il collegamento dei motori, tra l'altro molti di questi sono venduti con questo connettore. Un esempio di tale motore è un modello a 5 V - 28BYJ-48.

E queste non sono tutte le opzioni del driver per i motori stepper, in effetti ce ne sono ancora di più.

Collegamento al driver Arduino e al motore passo-passo

Nella maggior parte dei casi, è necessario utilizzare un microcontrollore associato a un driver per un motore passo-passo. Diamo un'occhiata al diagramma di connessione e agli esempi di codice. Considerare una connessione basata sull'ultimo driver elencato - ULN2003 alla scheda Arduino. E quindi ha 4 ingressi, sono firmati come IN1, IN2, ecc. Devono essere collegati ai pin digitali della scheda arduino e il motore deve essere collegato al driver come mostrato nella figura seguente.

Inoltre, a seconda del metodo di controllo, è necessario fornire 1 o 0 di questi pin agli ingressi, inclusi 1 o 2 avvolgimenti nella sequenza richiesta. Il codice per il programma di controllo full-step è simile al seguente:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

ritardo (dl);

}

 

Include gli avvolgimenti nella seguente sequenza:

Ecco il codice per la modalità a mezzo passo, come puoi vedere, è molto più voluminoso, poiché comporta un numero maggiore di avvolgimenti di commutazione.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

ritardo (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

ritardo (dl);

}

 

Questo programma include gli avvolgimenti come segue:

Per consolidare le informazioni ricevute, guarda il video utile:

conclusione

I motori passo-passo sono popolari tra gli Arduin insieme ai servi, perché ti consentono di creare robot e macchine a controllo numerico. Quest'ultimo è aiutato dall'abbondanza nel mercato secondario di unità per unità ottiche usate super economiche.