„Arduino“ ir „stepper“ variklis: pagrindai, schemos, prijungimas ir valdymas

Žingsniniai varikliai yra naudojami norint kontroliuoti kažkokią padėtį arba sukti darbinį agregatą tam tikru greičiu ir kampu. Tokios savybės leido jį naudoti robotikoje, skaitmeniniu būdu valdomose mašinose (CNC) ir kitose automatikos sistemose. Šiame straipsnyje mes apsvarstysime keletą klausimų, susijusių su laiptelių variklių konstrukcija ir kaip juos valdyti naudojant „Arduino“ mikrovaldiklį.

Žingsnis variklis skiriasi nuo įprasto

Visi praktikoje naudojami elektros varikliai veikia dėl elektrodinaminių reiškinių ir procesų, vykstančių rotorių ir statorių magnetiniuose laukuose. Kaip jau minėjome, bet kurį variklį sudaro bent dvi dalys - mobilioji (rotoriaus) ir nejudančioji (statorius). Jo sukimui būtina, kad magnetinis laukas taip pat suktųsi. Rotoriaus laukas sukasi po statoriaus lauku.

Iš esmės tokios pagrindinės informacijos pakanka, kad būtų galima suprasti bendrą elektrinių variklių veikimo vaizdą. Tačiau iš tikrųjų pramonė gamina įvairūs variklio variantaitarp kurių yra:

1. Voverės narvas arba žaizdos rotoriaus indukcinis variklis.

2. Sinchroninis variklis su lauko apvijomis arba su nuolatiniais magnetais.

3. Nuolatinis variklis.

4. Universalus kolektorinis variklis (jis veikia tiek nuolatinę, tiek kintamąją srovę, nes pačios rotoriaus apvijos yra sujungtos ir atjungtos nuo maitinimo šaltinio kontaktų dėl lamelių ir inkarų konstrukcijos).

5. Šepečiai be nuolatinės srovės variklių (BLDC).

6. Servosas.

7. Žingsniniai varikliai.

Paskutinės dvi rūšys yra ypač vertingos dėl galimybės tam tikru mastu jas tiksliai išdėstyti erdvėje. Pažvelkime atidžiau į stepper variklio dizainą.

Apibrėžimas

Žingsnis variklis vadinamas sinchroniniu varikliu be šepetėlių. Statoriuje yra tam tikras skaičius apvijų, kurių sujungimas sukelia rotoriaus pasukimą tam tikru kampu, atsižvelgiant į laiptelių skaičių. Kitaip tariant, srovė statoriaus apvijoje veleną suka diskrečiu kampu.

Esant tolygiam ir nuosekliam įtampos, tenkančios per apvijas, poliškumui ir perjungiant įjungtas apvijas, žingsninis variklis sukasi panašiai kaip įprastas elektros variklis, nors iš tikrųjų reguliarus sukimasis fiksuotu kampu tiesiog vyksta.

Žingsnis variklis kartais vadinamas varikliu. su ribotu skaičiumi rotoriaus padėčių. Neskamba labai aiškiai, išsiaiškinkime. Įsivaizduokite įprastą variklį - jo rotoriaus padėtis niekaip nėra fiksuota, tai yra, ji tiesiog sukasi, kol galia yra prijungta, o kai ji išsijungia, po kurio laiko sustoja, priklausomai nuo jo inercijos. Rotoriaus padėtys gali būti tiek, kiek jums patinka, tačiau jos gali skirtis mažiausiomis laipsnio dalimis.

Žingsninio variklio atveju apvijos ar kelių apvijų sujungimas sukelia rotoriaus „įmagnetinimą“ šių apvijų atžvilgiu. Iš išorės jis atrodo tiksliai taip, kaip pasukti veleną tam tikru kampu (žingsniu). Kadangi laiptelių skaičius yra viena iš svarbių šio tipo elektrinių pavarų charakteristikų, rotoriaus padėčių skaičius yra lygus laiptelių skaičiui. Pradedantiesiems sunku suprasti, kaip tai gali būti ir kaip jis sukasi šiuo atveju - iš tikrųjų viskas yra gana paprasta, mes tai parodysime iliustracijose ir aprašymuose žemiau.

Statyba

Ant elektrinio variklio statoriaus pritvirtintos sužadinimo apvijos. Jo rotorius pagamintas iš minkštų magnetinių arba kietų magnetinių medžiagų. Rotoriaus medžiaga priklauso nuo sukimo momento ir veleno pritvirtinimo su neapjungtomis apvijomis. Šie parametrai gali būti kritiniai.

Todėl išskiriami magnetiškai kieti rotoriai (jie taip pat yra su nuolatiniais magnetais) ir magnetiškai minkšti (reaktyvieji) rotoriai, be jų, yra ir hibridiniai rotoriai.

Hibridinis rotorius pagamintas dantytu būdu, dantų skaičius atitinka laiptelių skaičių. Dantys yra išilgai rotoriaus ašies. Be to, toks rotorius yra padalintas į dvi dalis skersai. Tarp jų yra sumontuotas nuolatinis magnetas, todėl kiekviena rotoriaus pusė yra magneto stulpas. Taip pat reikia pasakyti, kad pusė rotoriaus yra pasukta puse dantų žingsnio vienas kito atžvilgiu.

Kaip jau minėta, toks variklis yra sinchroninis, o jo sukimosi procesas yra sukurti besisukantį rotoriaus lauką, kurio siekia magnetinis rotorius, ir tai realizuojama keičiant apvijas valdikliui paeiliui.

Stepių variklių tipai apvijų projektavimui yra suskirstyti į tris pagrindines grupes pagal apvijų sujungimo schemą:

1. Dvipolis.

2. Vienpolis.

3. Su keturiomis apvijomis.

Dauguma bipolinių elektros variklių turi 4 kontaktus - tai yra išvados iš dviejų apvijų. Variklio viduje jie dažniausiai nėra sujungti vienas su kitu. Pagrindinė problema yra ta, kad būtina užtikrinti galios poliškumo perjungimą, o tai reiškia, kad vairuotojas ir pats valdymo procesas taps sudėtingesni.

Pagal žvaigždės modelį vienpoliai primena apvijų jungtį. Kitaip tariant, jūs turite 5 išvadas - 4 iš jų yra apvijų galai, o 1 yra visų apvijų jungties taškas.

Norint valdyti tokį variklį, jums tereikia pakaitomis tiekti energiją kiekvienam apvijos galui (arba porai jų, atsižvelgiant į pasirinktą sukimosi režimą), tokiu būdu pusė apvijos bus maitinama kiekvieną kartą. Jis gali veikti bipoliniu režimu, jei visą apviją tiekiate visiškai apeidami čiaupą iš jo vidurio.

Varikliai su 4 apvijomis turi pranašumą, kad jūs galite bet kuriuo jums patogiu būdu sujungti apvijas ir gauti tiek bipolinį, tiek vienpolį variklį.

Valdymo režimai

Yra 4 pagrindiniai žingsninio variklio valdymo režimai:

1. Bangos valdymas.

2. Visas žingsnis.

3. Pusė žingsnio.

4. Mikroskopas

Volnovas valdymas vadinamas vienos apvijos valdymu. T. y. tuo pačiu metu srovė teka per vieną iš apvijų, todėl yra dvi išskirtinės savybės - mažos energijos sąnaudos (tai yra gerai) ir mažas sukimo momentas (tai yra blogai).

Tokiu atveju šis variklis atlieka 4 veiksmus per vieną apsisukimą. Tikri varikliai per vieną apsisukimą žengia dešimtis žingsnių, tai pasiekiama daugybe magnetinių polių kintamųjų.

Visas žingsnis valdymas yra dažniausiai naudojamas. Čia įtampa tiekiama ne vienai apvijai, o dviem iš karto. Jei apvijos yra sujungtos lygiagrečiai, tada srovė dvigubai padidėja, o jei nuosekliai - maitinimo įtampa atitinkamai padidėja. Viena vertus, naudojant šį valdymo metodą, variklis sunaudoja daugiau energijos, kita vertus, 100% sukimo momentą, skirtingai nei ankstesnis.

Pusės žingsnio valdymas Įdomu tuo, kad tampa įmanoma tiksliau išdėstyti variklio veleną dėka to, kad visos dalys pridedamos perpus, tai pasiekiama derinant ankstesnius du veikimo režimus, o apvijos pakaitomis, paskui įsijungiant poromis, po vieną.

Verta manyti, kad momentas ant veleno svyruoja nuo 50 iki 100%, atsižvelgiant į tai, ar šiuo metu yra 1 ar 2 dvi apvijos.

Dar tikslesnis yra mikroskopas. Jis yra panašus į ankstesnįjį, tačiau skiriasi tuo, kad apvijų galia tiekiama ne iki galo, o palaipsniui keičiasi. Taigi, kiekvienos apvijos smūgio į rotorių laipsnis keičiasi, o veleno sukimosi kampas tarpiniais žingsniais keičiasi sklandžiai.

Kur gauti stepper variklį

Jūs visada turėsite laiko nusipirkti stepper motorą, tačiau tikri radijo mėgėjai, namų žmonės ir elektronikos inžinieriai garsėja tuo, kad iš šiukšlių jie gali padaryti ką nors naudingo. Tikrai turite savo namuose bent vieną žingsninį variklį. Paskaičiuokime, kur ieškoti, norint rasti tokį variklį.

1. Spausdintuvas.Žingsniniai varikliai gali stovėti ant popieriaus tiekimo veleno sukimosi (tačiau gali būti ir nuolatinės srovės variklis su poslinkio jutikliu).

2. Skeneriai ir daugiafunkciniai įrenginiai. Skaitytuvuose dažnai montuojamas žingsninis variklis ir mechaninė dalis, išilgai kurios važiuoja vežimėliai. Šios dalys taip pat gali būti naudingos kuriant namų gamybos CNC mašiną.

3. CD ir DVD įrenginiai. Taip pat galite gauti strypų ir varžtų velenų, skirtų naminiams gaminiams, ir įvairių juose esančių CNC.

4. Diskeliai. Diskeliai taip pat turi pakopinius variklius, ypač 5,25 colio dydžio diskelių failus.

Žingsnis variklio vairuotojas

Laiptiniams varikliams valdyti naudokite specializuotas vairuotojo mikroschemas. Dažniausiai tai yra tranzistorių H tiltas. Dėl šio įtraukimo tampa įmanoma įjungti apvijos norimo poliškumo įtampą. Šie lustai taip pat yra tinkami valdyti nuolatinės srovės variklius su atrama sukimosi krypčiai pakeisti.

Iš esmės labai mažus variklius galima užvesti tiesiogiai iš mikrovaldiklio kaiščių, tačiau paprastai jie atiduoda iki 20–40 mA, o tai daugeliu atvejų nepakanka. Todėl keletas žingsnių variklių vairuotojų pavyzdžių:

1. Lentos, kurių pagrindą sudaro L293D. Jų yra labai daug, vienas iš jų parduodamas vietiniu prekės ženklu „Amperka“ pavadinimu „Troyka Stepper“, jo naudojimo realiame projekte pavyzdys parodytas žemiau esančiame vaizdo įraše. Šios konkrečios plokštės pranašumas yra tas, kad ji turi loginius lustus, kurie gali sumažinti smeigtukų, naudojamų jai valdyti, skaičių.

Lustas pats veikia esant 4,5–36 V įtampai ir sukuria iki 600mA – 1A srovę, priklausomai nuo IC atvejo.

2. A4988 pagrindu sukurtas vairuotojas. Jis maitinamas iki 35 V įtampos, gali atlaikyti srovę iki 1A be radiatoriaus, o su radiatoriumi - iki 2A. Jis gali valdyti variklį tiek dalimis, tiek dalimis - nuo 1/16 žingsnio iki 1 žingsnio, tik 5 parinktys. Sudėtyje yra du H-tilteliai. Naudodami tiuningo rezistorių (matomą dešinėje nuotraukoje), galite nustatyti išėjimo srovę.

Žingsnio dydis nustatomas pagal signalus įėjimuose MS1, MS2, MS3.

Čia yra jo prijungimo schema, kiekvienas impulsas STEP įvestyje nustato variklį pasukti 1 žingsnį arba mikrotoką.

3. Vairuotojas, kurio pagrindas yra ULN2003, dirba su 5 ir 12 V varikliais ir sukuria iki 500 mA srovę. Daugelyje plokščių yra 4 šviesos diodai, rodantys kiekvieno kanalo veikimą.

Taip pat lentoje galite pamatyti variklių prijungimo gnybtų bloką, beje, daugelis jų parduodami su šia jungtimi. Tokio variklio pavyzdys yra 5 V modelis - 28BYJ-48.

Ir tai ne visi stepper variklių vairuotojo variantai, tiesą sakant, jų yra dar daugiau.

Prijungimas prie „Arduino“ vairuotojo ir žingsninio variklio

Dažniausiai stepper varikliui reikia naudoti mikrovaldiklį, suporuotą su vairuotoju. Pažvelkime į jungimo schemą ir kodo pavyzdžius. Apsvarstykite ryšį, pagrįstą naujausia išvardyta tvarkykle - ULN2003 prie Arduino lentos. Taigi, jis turi 4 įvestis, jie pasirašomi kaip IN1, IN2 ir kt. Jie turi būti prijungti prie skaitmeninių „Arduino“ plokštės kaiščių, o variklis turėtų būti prijungtas prie vairuotojo, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Be to, atsižvelgiant į valdymo būdą, turite naudoti 1 arba 0 įvestis iš šių kaiščių, įskaitant 1 arba 2 apvijas reikiama seka. Viso žingsnio valdymo programos kodas atrodo maždaug taip:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

negaliojanti sąranka () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tuščia kilpa () {

„digitalWrite“ (in1, HIGH);

„digitalWrite“ („in2“, „HIGH“);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, „HIGH“);

„digitalWrite“ (in3, HIGH);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, HIGH);

„digitalWrite“ (in4, HIGH);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ (in1, HIGH);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ (in4, HIGH);

vėlavimas (dl);

}

 

Tai apima apvijas tokia seka:

Čia yra pusės žingsnio režimo kodas, kaip matote, jis yra daug apimties, nes apima daugiau perjungiamųjų apvijų.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

negaliojanti sąranka () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

tuščia kilpa () {

„digitalWrite“ (in1, HIGH);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ (in1, HIGH);

„digitalWrite“ („in2“, „HIGH“);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, „HIGH“);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, „HIGH“);

„digitalWrite“ (in3, HIGH);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, HIGH);

„digitalWrite“ („in4“, LOW);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, HIGH);

„digitalWrite“ (in4, HIGH);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ („in1“, LOW);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ (in4, HIGH);

vėlavimas (dl);

„digitalWrite“ (in1, HIGH);

„digitalWrite“ („in2“, LOW);

„digitalWrite“ (in3, LOW);

„digitalWrite“ (in4, HIGH);

vėlavimas (dl);

}

 

Ši programa apima šias apvijas:

Norėdami konsoliduoti gautą informaciją, žiūrėkite naudingą vaizdo įrašą:

Išvada

Stepper varikliai yra populiarūs tarp Arduins kartu su servokais, nes jie leidžia kurti robotus ir CNC mašinas. Pastarajai padeda gausybė ypač pigių naudotų optinių diskų įrenginių antrinėje rinkoje.