Arduino e motor de passo: fundamentos, esquemas, conexão e controle

Motores de passo são usados ​​para controlar a posição de alguma coisa ou para girar a unidade de trabalho em uma determinada velocidade e ângulo. Tais recursos tornaram possível usá-lo em robótica, máquinas numericamente controladas (CNC) e outros sistemas de automação. Neste artigo, consideraremos vários problemas relacionados à construção de motores de passo e como controlá-los usando o microcontrolador Arduino.

O motor de passo difere do habitual

Todos os motores elétricos utilizados na prática operam devido a fenômenos eletrodinâmicos e processos que ocorrem nos campos magnéticos de rotores e estatores. Como já mencionamos, qualquer motor consiste em pelo menos duas partes - móvel (rotor) e imóvel (estator). Para sua rotação, é necessário que o campo magnético também gire. O campo do rotor gira após o campo do estator.

Em princípio, essas informações básicas são suficientes para entender a imagem geral da operação de motores elétricos. No entanto, de fato, a indústria produz várias opções de motorentre os quais estão:

1. Motor de indução de gaiola de esquilo ou rotor enrolado.

2. Motor síncrono com enrolamentos de campo ou com ímãs permanentes.

3. motor DC.

4. Motor coletor universal (funciona com corrente contínua e alternada, porque os enrolamentos do rotor são conectados e desconectados dos contatos da fonte de energia devido ao design de lamelas e âncoras).

5. Motores CC sem escova (BLDC).

6. Servos.

7. Motores de passo.

As duas últimas espécies têm um valor particular, devido à possibilidade de, em certa medida, um posicionamento preciso no espaço. Vamos dar uma olhada no design do motor de passo.

Definição de

Um motor de passo é chamado de motor síncrono sem escova. Um certo número de enrolamentos está localizado no estator, cuja conexão faz com que o rotor gire um determinado ângulo, dependendo do número de etapas. Em outras palavras, a corrente no enrolamento do estator faz com que o eixo gire em um ângulo discreto.

Com uma mudança uniforme e seqüencial na polaridade da tensão através dos enrolamentos e a comutação dos enrolamentos energizados, o motor de passo gira, semelhante a um motor elétrico convencional, embora na verdade uma rotação regular em ângulo fixo simplesmente ocorra.

O motor de passo às vezes é chamado de motor. com um número finito de posições do rotor. Não parece muito claro, vamos descobrir. Imagine um motor convencional - a posição de seu rotor não é fixa de forma alguma, ou seja, simplesmente gira enquanto a energia está conectada e, quando é desligada, pára após algum tempo, dependendo de sua inércia. As posições do rotor podem ser quantas quiser, mas podem diferir pelas menores frações de um grau.

Em um motor de passo, conectar um enrolamento ou vários enrolamentos causa uma "magnetização" do rotor em relação a esses enrolamentos. Externamente, parece exatamente como girar o eixo em um determinado ângulo (inclinação). Como o número de etapas é uma das características importantes desse tipo de acionamento elétrico, o número de posições do rotor é igual ao número de etapas. É difícil para os iniciantes entender como isso pode ser e como ele gira nesse caso - na verdade, tudo é bem simples; mostraremos isso nas ilustrações e descrições abaixo.

Construção civil

Os enrolamentos de excitação são fixados no estator do motor elétrico. Seu rotor é feito de materiais magnéticos macios ou magnéticos duros. O material do rotor depende do torque e da fixação do eixo com enrolamentos desenergizados. Esses parâmetros podem ser críticos.

Portanto, distinguem-se rotores magneticamente sólidos (também com ímãs permanentes) e rotores magneticamente macios (reativos), além de rotores híbridos.

O rotor híbrido é feito dentado, o número de dentes corresponde ao número de etapas. Os dentes estão localizados ao longo do eixo do rotor. Além disso, esse rotor é dividido em duas partes. Um ímã permanente é instalado entre eles, de modo que cada uma das metades do rotor é um pólo de ímã. Também deve-se dizer que metade do rotor é girado metade do passo dos dentes em relação um ao outro.

Como já mencionado, esse mecanismo é síncrono, e o processo de sua rotação é criar um campo rotativo do rotor, que o rotor magnético busca, e isso é realizado alternando os enrolamentos pelo controlador.

Os tipos de motores de passo para o projeto de enrolamentos são divididos em três grupos principais, de acordo com o esquema de conexão dos enrolamentos:

1. Bipolar.

2. Unipolar.

3. Com quatro enrolamentos.

A maioria dos motores elétricos bipolares tem 4 contatos - são conclusões de dois enrolamentos. Dentro do motor, eles geralmente não estão conectados um ao outro. O principal problema é que é necessário garantir a troca da polaridade de potência, o que significa que o driver e o processo de controle se tornarão mais complicados.

Unipolar se assemelha a uma conexão de enrolamentos de acordo com o padrão de uma estrela. Em outras palavras, você tem 5 conclusões - 4 delas são as extremidades dos enrolamentos e 1 é o ponto de conexão de todos os enrolamentos.

Para controlar esse mecanismo, você só precisa fornecer energia alternadamente para cada extremidade do enrolamento (ou alguns deles, dependendo do modo de rotação selecionado), dessa forma metade do enrolamento será energizado todas as vezes. Ele pode funcionar no modo bipolar, se você alimentar todo o enrolamento ignorando completamente a torneira do meio.

Motores com 4 enrolamentos têm a vantagem de poder conectar os enrolamentos de qualquer maneira conveniente e obter um motor bipolar e um unipolar.

Modos de controle

Existem 4 modos principais de controle do motor de passo:

1. Controle de ondas.

2. Etapa completa.

3. Meio passo.

4. Microstepping

Volnov controle é chamado controle de um enrolamento. I.e. ao mesmo tempo, a corrente flui através de um dos enrolamentos, daí duas características distintas - baixo consumo de energia (isso é bom) e baixo torque (isso é ruim).

Nesse caso, esse mecanismo executa 4 etapas em uma revolução. Motores reais dão dezenas de passos em uma revolução, isso é alcançado por um grande número de alternâncias de pólos magnéticos.

Gerenciamento de etapa completa é o mais comumente usado. Aqui, a tensão é fornecida não a um enrolamento, mas a dois de uma só vez. Se os enrolamentos estiverem conectados em paralelo, a corrente dobrará e, em série, a tensão de alimentação dobrará, respectivamente. Por um lado, nesse método de controle, o motor consome mais energia, por outro lado, 100% de torque, ao contrário do anterior.

Controle de meio passo É interessante que seja possível posicionar com mais precisão o eixo do motor, devido ao fato de que as metades são adicionadas a etapas inteiras, isso é conseguido combinando os dois modos de operação anteriores, e os enrolamentos se alternam, depois ligando em pares, depois um de cada vez.

Vale a pena considerar que o momento no eixo flutua de 50 a 100%, dependendo se 1 ou 2 dois enrolamentos estão envolvidos no momento.

Ainda mais preciso é microstepping. É semelhante ao anterior, mas difere na medida em que a energia dos enrolamentos não é fornecida em toda a extensão, mas muda gradualmente. Assim, o grau de impacto no rotor de cada um dos enrolamentos muda e o ângulo de rotação do eixo em etapas intermediárias varia suavemente.

Onde obter um motor de passo

Você sempre terá tempo para comprar um motor de passo, mas amadores de rádio, pessoas caseiras e engenheiros eletrônicos são famosos pelo fato de poderem fazer algo útil com o lixo. Certamente você tem pelo menos um motor de passo em sua casa. Vamos descobrir onde procurar para encontrar esse mecanismo.

1. A impressora.Os motores de passo podem permanecer na rotação do eixo de alimentação de papel (mas também pode haver um motor CC com um sensor de deslocamento).

2. Scanners e MFPs. Os scanners costumam instalar um motor de passo e uma parte mecânica ao longo da qual o carro guia, essas peças também podem ser úteis no desenvolvimento de uma máquina CNC caseira.

3. Unidades de CD e DVD. Você também pode obter hastes e eixos de parafuso para produtos caseiros e vários CNCs neles.

4. Unidades de disquete. Os disquetes também possuem motores de passo, especialmente arquivos de disquete no formato de 5,25 ”.

Driver de motor de passo

Para controlar os motores de passo, use microcircuitos de driver especializados. Principalmente, essa é uma ponte H de transistores. Graças a essa inclusão, torna-se possível incluir a tensão da polaridade desejada no enrolamento. Esses chips também são adequados para o controle de motores CC com suporte para alterar o sentido de rotação.

Em princípio, motores muito pequenos podem ser iniciados diretamente dos pinos do microcontrolador, mas geralmente eles dão até 20-40 mA, o que na maioria dos casos não é suficiente. Portanto, aqui estão alguns exemplos de drivers para motores de passo:

1. Placas baseadas em L293D. Existem muitos deles, um deles é vendido sob a marca doméstica Amperka com o nome Troyka Stepper, um exemplo de seu uso em um projeto real é mostrado no vídeo abaixo. A vantagem dessa placa específica é que ela possui chips lógicos que podem reduzir o número de pinos usados ​​para controlá-la.

O chip em si opera sob uma tensão de 4.5-36V e produz uma corrente de até 600mA-1A, dependendo do gabinete do IC.

2. Driver baseado no A4988. É alimentado por tensão de até 35V, pode suportar corrente de até 1A sem radiador e com um radiador de até 2A. Ele pode controlar o motor, em etapas inteiras e em partes - de 1/16 de uma etapa a 1 etapa, apenas 5 opções. Contém duas pontes H. Usando o resistor de sintonia (visto na foto à direita), você pode definir a corrente de saída.

O tamanho do passo é definido pelos sinais nas entradas MS1, MS2, MS3.

Aqui está um diagrama de sua conexão, cada pulso na entrada STEP configura o mecanismo para girar 1 etapa ou um micro passo.

3. O driver baseado no ULN2003 trabalha com motores de 5 e 12 V e produz uma corrente de até 500 mA. Na maioria das placas, existem 4 LEDs indicando a operação de cada canal.

Também na placa você pode ver o bloco de terminais para conectar motores, a propósito, muitos deles são vendidos com este conector. Um exemplo desse mecanismo é um modelo de 5V - 28BYJ-48.

E essas nem todas são opções de driver para motores de passo, de fato, existem ainda mais.

Conexão ao driver Arduino e motor de passo

Na maioria dos casos, você precisa usar um microcontrolador emparelhado com um driver para um motor de passo. Vejamos o diagrama de conexão e exemplos de código. Considere uma conexão baseada no driver mais recente listado - ULN2003 para o quadro Arduino. E por isso tem 4 entradas, elas são assinadas como IN1, IN2, etc. Eles precisam estar conectados aos pinos digitais da placa Arduino, e um motor deve ser conectado ao driver, conforme mostrado na figura abaixo.

Além disso, dependendo do método de controle, você deve aplicar às entradas 1 ou 0 desses pinos, incluindo 1 ou 2 enrolamentos na sequência necessária. O código para o programa de controle de etapa completa é mais ou menos assim:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

configuração nula () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

loop vazio () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

atraso (dl);

}

 

Inclui enrolamentos na seguinte sequência:

Aqui está o código para o modo de meio passo, como você pode ver, é muito mais volumoso, pois envolve um número maior de enrolamentos de comutação.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

configuração nula () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

loop vazio () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

atraso (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

atraso (dl);

}

 

Este programa inclui enrolamentos da seguinte forma:

Para consolidar as informações recebidas, assista ao vídeo útil:

Conclusão

Os motores de passo são populares entre os arduinos junto com servos, porque eles permitem criar robôs e máquinas CNC. Este último é ajudado pela abundância no mercado secundário de drives ópticos usados ​​super baratos.