Arduino và động cơ bước: cơ bản, kế hoạch, kết nối và kiểm soát

Động cơ bước được sử dụng để điều khiển vị trí của một cái gì đó, hoặc để xoay bộ phận làm việc từ một tốc độ và góc nhất định. Các tính năng như vậy cho phép sử dụng nó trong chế tạo robot, máy điều khiển số (CNC) và các hệ thống tự động hóa khác. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét một số vấn đề liên quan đến việc xây dựng động cơ bước và cách điều khiển chúng bằng vi điều khiển Arduino.

Động cơ bước khác với thông thường

Tất cả các động cơ điện được sử dụng trong thực tế hoạt động do các hiện tượng điện động lực và các quá trình xảy ra trong từ trường của rôto và stator. Như chúng tôi đã đề cập, bất kỳ động cơ nào cũng bao gồm ít nhất hai phần - di động (rôto) và bất động (stato). Đối với vòng quay của nó, điều cần thiết là từ trường cũng quay. Trường rôto quay sau trường stato.

Về nguyên tắc, thông tin cơ bản như vậy là đủ để hiểu bức tranh chung về hoạt động của động cơ điện. Tuy nhiên, trên thực tế, công nghiệp sản xuất tùy chọn động cơ khác nhautrong số đó là:

1. Động cơ cảm ứng lồng sóc hoặc lồng vết thương.

2. Động cơ đồng bộ với cuộn dây trường hoặc với nam châm vĩnh cửu.

3. Động cơ một chiều.

4. Động cơ thu chung (nó hoạt động trên cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều, vì bản thân cuộn dây rôto được kết nối và ngắt kết nối với các tiếp điểm của nguồn điện do thiết kế của lamellas và neo).

5. Động cơ DC không chổi than (BLDC).

6. Phục vụ.

7. Động cơ bước.

Hai loài cuối cùng có giá trị đặc biệt, do khả năng của chúng, ở một mức độ nhất định, định vị chính xác trong không gian. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về thiết kế của động cơ bước.

Định nghĩa

Một động cơ bước được gọi là một động cơ đồng bộ không chổi than. Một số cuộn dây nhất định được đặt trên stato, kết nối làm cho rôto quay một góc nhất định, tùy thuộc vào số bước. Nói cách khác, dòng điện trong cuộn dây stato làm cho trục quay ở một góc rời rạc.

Với sự thay đổi đồng đều và tuần tự về cực của điện áp trên các cuộn dây và chuyển đổi của cuộn dây được cấp năng lượng, động cơ bước quay, tương tự như một động cơ điện thông thường, mặc dù trên thực tế, một vòng quay thông thường ở một góc cố định chỉ đơn giản diễn ra.

Động cơ bước đôi khi được gọi là động cơ. với số lượng hữu hạn các vị trí cánh quạt. Nó không có âm thanh rất rõ ràng, hãy tìm ra nó. Hãy tưởng tượng một động cơ thông thường - vị trí của rôto của nó không được cố định theo bất kỳ cách nào, nghĩa là nó chỉ quay trong khi nguồn được kết nối, và khi nó tắt, nó sẽ dừng lại sau một thời gian, tùy thuộc vào quán tính của nó. Vị trí của rôto có thể nhiều như bạn muốn, nhưng chúng có thể khác nhau bởi các phân số nhỏ nhất của một mức độ.

Trong một động cơ bước, việc kết nối một cuộn dây hoặc một vài cuộn dây làm cho rôto biến đổi từ tính đối với các cuộn dây này. Bề ngoài, nó trông giống hệt như xoay trục ở một góc (độ cao) nhất định. Vì số bước là một trong những đặc điểm quan trọng của loại ổ điện này, nên số lượng vị trí rôto bằng với số bước. Người mới bắt đầu rất khó hiểu làm thế nào điều này có thể, và nó xoay như thế nào trong trường hợp này - thực tế, mọi thứ khá đơn giản, chúng tôi sẽ trình bày điều này trong các minh họa và mô tả dưới đây.

Xây dựng

Cuộn dây kích thích được cố định trên stato của động cơ điện. Cánh quạt của nó được làm bằng vật liệu từ mềm hoặc từ cứng. Vật liệu của rôto phụ thuộc vào mô-men xoắn và sự cố định của trục với các cuộn dây không được cấp điện. Những thông số này có thể rất quan trọng.

Do đó, các rôto rắn từ tính (chúng cũng có nam châm vĩnh cửu) và các rôto mềm (phản ứng) được phân biệt, ngoài ra chúng còn có các rôto lai.

Các cánh quạt lai được làm răng, số lượng răng tương ứng với số bước. Các răng được đặt dọc theo trục của cánh quạt. Hơn nữa, một cánh quạt như vậy được chia thành hai phần trên. Một nam châm vĩnh cửu được lắp đặt giữa chúng, vì vậy mỗi nửa của rôto là một cực nam châm. Cũng cần phải nói rằng một nửa cánh quạt được quay bằng một nửa độ cao của răng so với nhau.

Như đã đề cập, một động cơ như vậy là đồng bộ, và quá trình quay của nó là tạo ra một trường quay của rôto, mà rôto từ tìm kiếm, và điều này được thực hiện bằng cách chuyển đổi cuộn dây bằng bộ điều khiển lần lượt.

Các loại động cơ bước để thiết kế cuộn dây được chia thành ba nhóm chính theo sơ đồ kết nối của cuộn dây:

1. Lưỡng cực.

2. Đơn cực.

3. Với bốn cuộn dây.

Hầu hết các động cơ điện lưỡng cực có 4 tiếp điểm - đây là kết luận từ hai cuộn dây. Bên trong động cơ, chúng lớn và không được kết nối với nhau. Vấn đề chính là cần phải đảm bảo việc chuyển đổi phân cực điện, có nghĩa là trình điều khiển và quá trình điều khiển sẽ trở nên phức tạp hơn.

Đơn cực giống với kết nối của các cuộn dây theo mô hình của ngôi sao. Nói cách khác, bạn có 5 kết luận - 4 trong số đó là điểm cuối của cuộn dây và 1 là điểm kết nối của tất cả các cuộn dây.

Để điều khiển một động cơ như vậy, bạn chỉ cần cung cấp năng lượng luân phiên cho mỗi đầu của cuộn dây (hoặc một vài trong số chúng, tùy thuộc vào chế độ quay đã chọn), theo cách này, một nửa cuộn dây sẽ được cấp nguồn mỗi lần. Nó có thể hoạt động ở chế độ lưỡng cực, nếu bạn cho toàn bộ cuộn dây hoàn toàn bỏ qua vòi từ giữa.

Động cơ với 4 cuộn dây có lợi thế là bạn có thể kết nối các cuộn dây theo bất kỳ cách nào thuận tiện cho bạn và có được cả động cơ lưỡng cực và động cơ đơn cực.

Chế độ điều khiển

Có 4 chế độ điều khiển động cơ bước chính:

1. Điều khiển sóng.

2. Bước đầy đủ.

3. Nửa bước.

4. Vi bước

Volnov điều khiển được gọi là điều khiển của một cuộn dây. Tức là đồng thời, dòng điện chạy qua một trong các cuộn dây, do đó có hai tính năng đặc biệt - tiêu thụ điện năng thấp (điều này là tốt) và mô-men xoắn thấp (điều này là xấu).

Trong trường hợp này, động cơ này thực hiện 4 bước trong một cuộc cách mạng. Động cơ thực sự thực hiện hàng chục bước trong một cuộc cách mạng, điều này đạt được bằng một số lượng lớn các cực từ thay thế.

Quản lý toàn bộ bước được sử dụng phổ biến nhất. Ở đây, điện áp được cung cấp không phải cho một cuộn dây, mà là hai cùng một lúc. Nếu các cuộn dây được kết nối song song, thì hiện tại tăng gấp đôi và nếu nối tiếp, điện áp cung cấp tăng gấp đôi, tương ứng. Một mặt, trong phương pháp điều khiển này, động cơ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, mặt khác, mô-men xoắn 100%, không giống như trước đây.

Điều khiển nửa bước Điều thú vị ở chỗ có thể định vị chính xác hơn trục động cơ, nhờ thực tế là một nửa được thêm vào toàn bộ các bước, điều này đạt được bằng cách kết hợp hai chế độ hoạt động trước đó và cuộn dây xen kẽ, sau đó bật từng cặp, sau đó bật từng cặp.

Điều đáng xem xét là thời điểm trên trục nổi từ 50 đến 100%, tùy thuộc vào việc 1 hoặc 2 hai cuộn dây có liên quan tại thời điểm này hay không.

Chính xác hơn nữa là bước chân. Nó tương tự như cái trước, nhưng khác ở chỗ năng lượng cho cuộn dây không được cung cấp hết mức, mà thay đổi dần. Do đó, mức độ tác động lên rôto của mỗi cuộn dây thay đổi và góc quay của trục trong các bước trung gian thay đổi trơn tru.

Nơi để có được một động cơ bước

Bạn sẽ luôn có thời gian để mua một động cơ bước, nhưng những người nghiệp dư vô tuyến thực sự, những người làm tại nhà và các kỹ sư điện tử nổi tiếng vì họ có thể làm gì đó hữu ích từ rác. Chắc chắn bạn có ít nhất một động cơ bước trong nhà của bạn. Chúng ta hãy tìm nơi để tìm một động cơ như vậy.

1. Máy in.Động cơ bước có thể đứng trên trục quay của trục nạp giấy (nhưng cũng có thể có động cơ DC có cảm biến dịch chuyển).

2. Máy quét và MFP. Máy quét thường cài đặt một động cơ bước và một bộ phận cơ học dọc theo hướng dẫn vận chuyển, những bộ phận này cũng có thể hữu ích trong việc phát triển một máy CNC tự chế.

3. Ổ đĩa CD và DVD. Họ cũng có thể nhận và thanh và trục vít cho CNC tự chế và khác nhau.

4. Ổ đĩa mềm. Các đĩa mềm cũng có động cơ bước, đặc biệt là các tệp mềm có định dạng 5.25.

Trình điều khiển động cơ bước

Để điều khiển động cơ bước sử dụng vi điều khiển chuyên dụng. Chủ yếu đây là một cây cầu H của bóng bán dẫn. Nhờ sự bao gồm này, nó có thể bật điện áp của cực mong muốn cho cuộn dây. Những con chip này cũng phù hợp để điều khiển động cơ DC có hỗ trợ thay đổi hướng quay.

Về nguyên tắc, động cơ rất nhỏ có thể được khởi động trực tiếp từ các chân của vi điều khiển, nhưng thông thường họ cung cấp tới 20-40 mA, trong hầu hết các trường hợp là không đủ. Do đó, đây là một số ví dụ về trình điều khiển cho động cơ bước:

1. Bảng dựa trên L293D. Có rất nhiều trong số chúng, một trong số chúng được bán dưới thương hiệu nội địa Amperka dưới tên Troyka Stepper, một ví dụ về việc sử dụng nó trong một dự án thực tế được hiển thị trong video dưới đây. Ưu điểm của bảng đặc biệt này là nó có chip logic có thể giảm số lượng chân được sử dụng để điều khiển nó.

Bản thân chip hoạt động dưới điện áp 4,5-36V và tạo ra dòng điện lên tới 600mA-1A, tùy thuộc vào vỏ IC.

2. Trình điều khiển dựa trên A4988. Nó được cung cấp bởi điện áp lên đến 35V, có thể chịu được dòng điện lên đến 1A mà không cần bộ tản nhiệt và với bộ tản nhiệt lên đến 2A. Nó có thể điều khiển động cơ, cả trong toàn bộ các bước và theo từng phần - từ 1/16 bước đến 1 bước, chỉ có 5 tùy chọn. Chứa hai cầu H. Sử dụng điện trở điều chỉnh (xem trong ảnh bên phải), bạn có thể đặt dòng điện đầu ra.

Kích thước bước được đặt bởi các tín hiệu ở đầu vào MS1, MS2, MS3.

Dưới đây là sơ đồ kết nối của nó, mỗi xung ở đầu vào BƯỚC đặt động cơ quay 1 bước hoặc một bước nhỏ.

3. Trình điều khiển dựa trên ULN2003 hoạt động với động cơ 5 và 12 V và tạo ra dòng điện lên tới 500 mA. Trên hầu hết các bảng, có 4 đèn LED cho biết hoạt động của từng kênh.

Ngoài ra trên bảng, bạn có thể thấy khối thiết bị đầu cuối để kết nối động cơ, nhân tiện, nhiều trong số chúng được bán với đầu nối này. Một ví dụ về động cơ như vậy là mô hình 5V - 28BYJ-48.

Và đây không phải là tất cả các tùy chọn trình điều khiển cho động cơ bước, trên thực tế thậm chí còn có nhiều hơn nữa.

Kết nối với trình điều khiển Arduino và động cơ bước

Trong hầu hết các trường hợp, bạn cần sử dụng một vi điều khiển được ghép nối với trình điều khiển cho động cơ bước. Hãy xem sơ đồ kết nối và ví dụ mã. Xem xét kết nối dựa trên trình điều khiển mới nhất được liệt kê - ULN2003 đến bảng Arduino. Và do đó, nó có 4 đầu vào, chúng được ký là IN1, IN2, v.v. Chúng cần được kết nối với các chân kỹ thuật số của bo mạch Arduino và một động cơ nên được kết nối với trình điều khiển như trong hình dưới đây.

Hơn nữa, tùy thuộc vào phương pháp điều khiển, bạn phải cung cấp 1 hoặc 0 các chân này cho các đầu vào, bao gồm 1 hoặc 2 cuộn dây theo trình tự yêu cầu. Mã cho chương trình điều khiển toàn bước trông giống như thế này:

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 () {

kỹ thuật sốWrite (in1, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in2, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in3, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in4, CAO);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, CAO);

độ trễ (dl);

}

 

Nó bao gồm các cuộn dây theo trình tự sau:

Đây là mã cho chế độ nửa bước, như bạn thấy, nó có độ lớn hơn nhiều, vì nó liên quan đến số lượng cuộn dây chuyển đổi lớn hơn.

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 () {

kỹ thuật sốWrite (in1, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in2, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in3, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in4, THẤP);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in4, CAO);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, CAO);

độ trễ (dl);

kỹ thuật sốWrite (in1, CAO);

kỹ thuật sốWrite (in2, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in3, THẤP);

kỹ thuật sốWrite (in4, CAO);

độ trễ (dl);

}

 

Chương trình này bao gồm các cuộn dây như sau:

Để củng cố thông tin nhận được, hãy xem video hữu ích:

Kết luận

Động cơ Stepper là phổ biến trong số Arduins cùng với servo, bởi vì chúng cho phép bạn tạo ra robot và máy CNC. Loại thứ hai được trợ giúp bởi sự phong phú trong thị trường thứ cấp của các ổ đĩa quang được sử dụng siêu rẻ.