Nếu bạn đã từng có niềm vui khi tháo dỡ một máy in cũ để tiết kiệm điện tử các thành phần, bạn có thể bắt gặp nhiều động cơ bí ẩn hình trụ với 4 hoặc nhiều dây nhô ra từ hai bên. Bạn có nghe thấy tiếng vo vo điển hình của máy in 3D để bàn hoặc bản giao hưởng điện cơ lỗi của ổ đĩa không? Nếu vậy, sau đó bạn phải đối mặt với một động cơ bước!
Động cơ bước làm cho thế giới cơ điện quay (với mô-men xoắn cao hơn!), Nhưng không giống như động cơ DC thông thường, điều khiển động cơ bước đòi hỏi nhiều hơn một chút so với dòng điện qua hai dây. Bài viết này sẽ nói về lý thuyết thiết kế và vận hành của động cơ bước. Ngay sau khi chúng tôi xem xét các vấn đề cơ bản, tác giả của hướng dẫn này sẽ chỉ ra cách xây dựng các mạch đơn giản để điều khiển động cơ bước, và sau đó là cách sử dụng các vi điều khiển đặc biệt.
Bước 1: Điều gì làm cho một động cơ một động cơ bước?
Ai có thể cần nhiều hơn hai dây và cầu H? Tại sao? Chà, không giống như các động cơ chổi than DC thông thường được chế tạo cho RPM tối đa (hoặc kV cho RC), động cơ bước là động cơ không chổi than được thiết kế cho mô-men xoắn cao (tốc độ thấp hơn sau đó) và chuyển động quay chính xác hơn. Mặc dù động cơ DC thông thường rất phù hợp để quay chân vịt ở tốc độ cao để đạt được lực kéo tối đa, động cơ bước sẽ tốt hơn cho việc cuộn một tờ giấy đồng bộ với cơ chế in phun bên trong máy in hoặc để quay cẩn thận trục đường sắt trong máy nghiền CNC.
Bên trong, động cơ bước phức tạp hơn động cơ DC đơn giản, với một số cuộn dây xung quanh lõi có nam châm vĩnh cửu, nhưng với sự phức tạp thêm này được cung cấp thêm điều khiển. Do sự sắp xếp cẩn thận của các cuộn dây được tích hợp vào stato, rôto của động cơ bước có thể quay với một bước nhất định, thay đổi cực tính giữa các cuộn dây và chuyển đổi cực của chúng theo sơ đồ đánh lửa đã thiết lập. Động cơ bước không phải tất cả đều được làm giống nhau, và đối với các sơ đồ duy nhất (nhưng cơ bản) thực hiện bên trong của chúng là bắt buộc. Chúng tôi sẽ thảo luận về các loại động cơ bước phổ biến nhất trong bước tiếp theo.
Bước 2: Các loại động cơ bước
Có một số thiết kế khác nhau của động cơ bước. Chúng bao gồm đơn cực, lưỡng cực, phổ kháng và biến đổi. Chúng tôi sẽ thảo luận về thiết kế và hoạt động của động cơ lưỡng cực và đơn cực, vì đây là loại động cơ phổ biến nhất.
Động cơ đơn cực
Động cơ đơn cực thường có năm, sáu hoặc tám dây dẫn đến từ cơ sở và một cuộn dây mỗi pha. Trong trường hợp động cơ năm dây, dây thứ năm là một nhánh trung tâm được kết nối của các cặp cuộn dây. Trong động cơ sáu dây, mỗi cặp cuộn dây có vòi trung tâm riêng. Trong một động cơ tám dây, mỗi cặp cuộn hoàn toàn tách biệt với các cuộn dây khác, cho phép nó được kết nối trong các cấu hình khác nhau. Các dây bổ sung này cho phép bạn điều khiển động cơ đơn cực trực tiếp từ bộ điều khiển bên ngoài với các bóng bán dẫn đơn giản để điều khiển từng cuộn dây riêng biệt. Một mạch đánh lửa trong đó mỗi cuộn dây được điều khiển xác định hướng quay của trục động cơ. Thật không may, chỉ có một cuộn dây được cung cấp tại một thời điểm, mô-men xoắn giữ của động cơ đơn cực sẽ luôn nhỏ hơn động cơ lưỡng cực có cùng kích thước. Bỏ qua các vòi trung tâm của động cơ đơn cực, giờ đây nó có thể hoạt động như một động cơ lưỡng cực, nhưng điều này sẽ đòi hỏi một sơ đồ điều khiển phức tạp hơn. Trong bước thứ tư của bài viết này, chúng tôi sẽ lái một động cơ đơn cực, cần làm rõ một số khái niệm được trình bày ở trên.
Động cơ lưỡng cực
Động cơ lưỡng cực thường có bốn dây và bền hơn động cơ đơn cực có kích thước so sánh, nhưng vì chúng ta chỉ có một cuộn dây mỗi pha, nên chúng ta cần phải xoay dòng điện qua cuộn dây để đi một bước. Nhu cầu thay đổi hiện tại của chúng tôi có nghĩa là chúng tôi sẽ không còn có thể điều khiển các cuộn dây trực tiếp bằng một bóng bán dẫn duy nhất, thay vào đó là một mạch cầu h hoàn chỉnh. Xây dựng cầu h bên phải rất tẻ nhạt (không kể hai!), Vì vậy chúng tôi sẽ sử dụng trình điều khiển động cơ lưỡng cực chuyên dụng (xem Bước 5).
Bước 3: Tìm hiểu thông số kỹ thuật của động cơ bước
Hãy nói về cách xác định thông số kỹ thuật động cơ. Nếu bạn bắt gặp một động cơ vuông có lắp ráp ba mảnh cụ thể (xem Hình ba), rất có thể đó là động cơ Nema. Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia có một tiêu chuẩn cụ thể về thông số kỹ thuật của động cơ sử dụng mã chữ cái đơn giản để xác định đường kính của tấm mặt động cơ, loại gắn, chiều dài, dòng pha, nhiệt độ vận hành, điện áp pha, bước trên mỗi vòng quay và hệ thống dây điện.
Đọc hộ chiếu động cơ
Đối với bước tiếp theo, động cơ đơn cực này sẽ được sử dụng. Trên đây là bảng dữ liệu. Và mặc dù ngắn gọn, nó cung cấp cho chúng tôi mọi thứ chúng tôi cần để vận hành đúng cách. Hãy xem những gì trong danh sách:
Pha: Đây là động cơ đơn cực bốn pha. Động cơ bên trong có thể có bất kỳ số lượng cuộn dây thực sự, nhưng trong trường hợp này, chúng được nhóm thành bốn giai đoạn, có thể được điều khiển độc lập.
Góc nghiêng: Với độ phân giải xấp xỉ 1,8 độ mỗi bước, chúng tôi nhận được 200 bước trên mỗi vòng quay. Mặc dù đây là độ phân giải cơ học, với sự trợ giúp của các điểm nối vi mô, chúng ta có thể tăng độ phân giải này mà không có bất kỳ thay đổi nào đối với động cơ (thêm về điều này trong bước 5).
Điện áp: Điện áp định mức của động cơ này là 3 volt. Đây là chức năng của dòng điện và điện trở danh định của động cơ (định luật Ohm V = IR, do đó 3V = 2A * 1.5Ω)
Hiện tại: động cơ này cần bao nhiêu? Hai ampe mỗi pha! Con số này sẽ rất quan trọng khi chọn các bóng bán dẫn điện của chúng tôi cho mạch điều khiển cơ bản.
Điện trở: 1,5 ohms mỗi pha sẽ giới hạn dòng điện chúng ta có thể cung cấp cho từng pha.
Độ tự cảm: 2,5 mH. Bản chất cảm ứng của cuộn dây động cơ giới hạn tốc độ sạc của cuộn dây.
Giữ khoảnh khắc: đây là lượng lực thực tế chúng ta có thể tạo ra khi điện áp được đặt vào động cơ bước.
Giữ khoảnh khắc: đây là những gì chúng ta có thể mong đợi từ động cơ khi nó không được cấp năng lượng.
Lớp cách nhiệt: Lớp B là một phần của tiêu chuẩn Nema và cho chúng tôi mức đánh giá 130 độ C. Động cơ bước không phải là rất hiệu quả, và tiêu thụ liên tục của dòng điện tối đa có nghĩa là chúng sẽ trở nên rất nóng trong quá trình hoạt động bình thường.
Các chỉ số quanh co: đường kính dây 0,644 mm., Số vòng trong đường kính 15,5, tiết diện 0,326 mm2
Phát hiện cặp cuộn
Mặc dù điện trở của cuộn dây có thể thay đổi từ động cơ sang động cơ, nhưng nếu bạn có đồng hồ vạn năng, bạn có thể đo điện trở trên bất kỳ hai dây nào, nếu điện trở <10 Ohms, bạn có thể tìm thấy một cặp! Về cơ bản, đây là một quá trình lỗi thử nghiệm, nhưng nó sẽ hoạt động với hầu hết các động cơ trừ khi bạn có số phần / thông số kỹ thuật.
Bước 4: Điều khiển trực tiếp động cơ bước
Do vị trí của các dây trong động cơ đơn cực, chúng ta có thể bật tuần tự các cuộn dây chỉ bằng cách sử dụng các MOSFET điện đơn giản. Hình trên cho thấy một mạch đơn giản với một bóng bán dẫn MOS. Sự sắp xếp này cho phép bạn chỉ cần điều khiển mức logic bằng cách sử dụng một vi điều khiển bên ngoài. Trong trường hợp này, cách dễ nhất là sử dụng bảng Intel Edison với bảng vá dựa trên kiểu dáng. Arduinođể có quyền truy cập dễ dàng vào GPIO (tuy nhiên, bất kỳ vi mô nào có bốn GPIO đều được thực hiện). MOSF công suất cao kênh IRF510 được sử dụng cho mạch này. IRF510, có khả năng tiêu thụ tới 5,6 ampe, sẽ có đủ năng lượng miễn phí để đáp ứng nhu cầu của động cơ ở 2 amper. Đèn LED không cần thiết, nhưng chúng sẽ cho bạn một xác nhận trực quan tốt về trình tự công việc. Điều quan trọng cần lưu ý là IRF510 phải có mức logic tối thiểu 5 V để có thể tiêu thụ đủ dòng cho động cơ. Công suất động cơ trong mạch này sẽ là 3 V.
Trình tự công việc
Kiểm soát hoàn toàn động cơ đơn cực với cài đặt này rất đơn giản. Để xoay động cơ, chúng ta cần bật các pha trong chế độ đã cho để nó quay chính xác. Để xoay động cơ theo chiều kim đồng hồ, chúng ta sẽ điều khiển các pha như sau: A1, B1, A2, B2. Để xoay ngược chiều kim đồng hồ, chúng ta chỉ cần thay đổi hướng của chuỗi thành B2, A2, B1, A1. Điều này tốt cho điều khiển cơ bản, nhưng nếu bạn muốn độ chính xác cao hơn và làm việc ít hơn thì sao? Hãy nói về việc sử dụng một trình điều khiển chuyên dụng để làm cho mọi thứ dễ dàng hơn nhiều!
Bước 5: bảng điều khiển động cơ bước
Nếu bạn muốn bắt đầu điều khiển động cơ lưỡng cực (hoặc động cơ đơn cực trong cấu hình lưỡng cực), bạn cần có một bảng điều khiển trình điều khiển đặc biệt. Ảnh trên cho thấy Trình điều khiển Big Easy và bảng vận chuyển cho trình điều khiển động cơ bước A4988. Cả hai bảng này đều được in bảng mạch cho trình điều khiển động cơ bước Allegro A4988 hai cực microstep, đây là một trong những chip phổ biến nhất để điều khiển động cơ bước nhỏ. Ngoài việc có các cầu h kép cần thiết để điều khiển động cơ lưỡng cực, các bảng này còn cung cấp nhiều tùy chọn cho bao bì nhỏ, rẻ tiền.
Cài đặt
Những bảng phổ quát có một kết nối thấp đáng kinh ngạc. Bạn có thể bắt đầu điều khiển động cơ chỉ bằng ba kết nối (chỉ có hai GPIO) với bộ điều khiển chính của bạn: mặt bằng chung, cao độ và hướng. Bước bước và hướng của nó vẫn nổi, vì vậy bạn cần liên kết chúng với điện áp tham chiếu với một điện trở tải. Xung được gửi đến chân BƯỚC sẽ di chuyển động cơ một bước ở độ phân giải phù hợp với các chân tham chiếu microstep. Mức logic ở chân DIR xác định xem động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ.
Động cơ microstep
Tùy thuộc vào cách các chân M1, M2 và M3 được cài đặt, bạn có thể đạt được độ phân giải động cơ tăng lên bằng cách vi bước. Microstep bao gồm gửi nhiều loại xung để kéo động cơ giữa độ phân giải điện từ của nam châm vật lý trong rôto, cung cấp điều khiển rất chính xác. A4988 có thể đi từ bước đầy đủ đến độ phân giải của bước thứ mười sáu. Với động cơ 1,8 độ của chúng tôi, điều này sẽ cung cấp tới 3200 bước trên mỗi vòng quay. Nói về những chi tiết nhỏ!
Mã / Thư viện
Kết nối động cơ có thể dễ dàng, nhưng điều khiển chúng thì sao? Kiểm tra các thư viện mã làm sẵn này để kiểm soát động cơ bước:
Bước - Cổ điển được tích hợp trong Arduino IDE cho phép bạn thực hiện một bước cơ bản và kiểm soát tốc độ quay.
Bước chân Accel - Một thư viện đầy đủ tính năng hơn nhiều cho phép bạn kiểm soát tốt hơn nhiều động cơ và cung cấp khả năng tăng tốc và giảm tốc chính xác của động cơ.
Stepper Intel C ++ MRAA - Một thư viện cấp thấp hơn dành cho những người muốn đi sâu vào việc quản lý động cơ bước C ++ thô bằng Intel Edison.
Kiến thức này đủ để bạn hiểu cách làm việc với động cơ bước trong thế giới cơ điện, nhưng đây mới chỉ là khởi đầu.
