Wenn Sie jemals das Vergnügen hatten, einen alten Drucker zu zerlegen, um zu sparen elektronisch Komponenten können Sie auf viele zylindrische mysteriöse Motoren mit 4 oder mehr Drähten stoßen, die seitlich hervorstehen. Haben Sie das typische Summen eines Desktop-3D-Druckers oder die fehlerhafte elektromechanische Symphonie von Festplatten in einem CD-Laufwerk gehört? Wenn ja, dann stehen Sie vor einem Schrittmotor!
Schrittmotoren lassen die elektromechanische Welt rotieren (mit höherem Drehmoment!). Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Gleichstrommotor erfordert die Steuerung eines Schrittmotors jedoch etwas mehr als den Strom durch zwei Drähte. Dieser Artikel befasst sich mit der Theorie des Aufbaus und des Betriebs eines Schrittmotors. Sobald wir uns mit den Grundlagen befasst haben, wird der Autor dieses Handbuchs zeigen, wie einfache Schaltkreise zur Steuerung von Schrittmotoren aufgebaut werden und wie spezielle Treiber-Mikroschaltungen verwendet werden.
Schritt 1: Was macht einen Motor zu einem Schrittmotor?
Wer braucht vielleicht mehr als zwei Drähte und eine H-Brücke? Warum? Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstrombürstenmotoren, die für maximale Drehzahl (oder kV für RC) ausgelegt sind, sind Schrittmotoren bürstenlose Motoren, die für ein hohes Drehmoment (anschließend niedrigere Drehzahl) und eine genauere Drehbewegung ausgelegt sind. Während ein typischer Gleichstrommotor ideal ist, um den Propeller mit hoher Geschwindigkeit zu drehen, um maximale Traktion zu erzielen, ist ein Schrittmotor besser geeignet, um ein Blatt Papier synchron mit dem Tintenstrahlmechanismus im Drucker zu rollen oder um die lineare Schienenwelle in einer CNC-Mühle vorsichtig zu drehen.
Im Inneren sind Schrittmotoren komplexer als ein einfacher Gleichstrommotor, mit mehreren Spulen um den Kern mit Permanentmagneten, aber mit dieser zusätzlichen Komplexität wird mehr Kontrolle bereitgestellt. Aufgrund der sorgfältigen Anordnung der im Stator eingebauten Spulen kann sich der Rotor des Schrittmotors mit einem bestimmten Schritt drehen, wobei die Polarität zwischen den Spulen geändert und ihre Polarität gemäß dem festgelegten Zündschema geändert wird. Schrittmotoren sind nicht alle gleich und für ihre interne Ausführung sind einzigartige (aber grundlegende) Schemata erforderlich. Wir werden im nächsten Schritt die gängigsten Arten von Schrittmotoren diskutieren.
Schritt 2: Arten von Schrittmotoren
Es gibt verschiedene Ausführungen von Schrittmotoren. Dazu gehören unipolarer, bipolarer, universeller und variabler Widerstand. Wir werden die Konstruktion und den Betrieb von bipolaren und unipolaren Motoren diskutieren, da dies der häufigste Motortyp ist.
Unipolarer Motor
Unipolare Motoren haben normalerweise fünf, sechs oder acht Drahtleitungen, die von der Basis kommen, und eine Spule pro Phase. Bei einem Fünfdrahtmotor ist der fünfte Draht der angeschlossene zentrale Abgriff der Spulenpaare. Bei einem Sechs-Draht-Motor hat jedes Spulenpaar einen eigenen zentralen Abgriff. Bei einem Achtdrahtmotor ist jedes Spulenpaar vollständig von den anderen getrennt, so dass es in verschiedenen Konfigurationen angeschlossen werden kann. Mit diesen zusätzlichen Kabeln können Sie unipolare Motoren direkt von einem externen Controller mit einfachen Transistoren ansteuern, um jede Spule separat zu steuern. Ein Zündkreis, in dem jede Spule angetrieben wird, bestimmt die Drehrichtung der Motorwelle. Da immer nur eine Spule gleichzeitig versorgt wird, ist das Haltemoment eines unipolaren Motors leider immer geringer als das eines bipolaren Motors gleicher Größe. Durch Umgehen der zentralen Abgriffe eines unipolaren Motors kann dieser nun als bipolarer Motor arbeiten, dies erfordert jedoch ein komplexeres Steuerungsschema. Im vierten Schritt dieses Artikels werden wir einen unipolaren Motor antreiben, der einige der oben vorgestellten Konzepte verdeutlichen soll.
Bipolarer Motor
Bipolare Motoren haben normalerweise vier Drähte und sind langlebiger als ein unipolarer Motor vergleichbarer Größe. Da wir jedoch nur eine Spule pro Phase haben, müssen wir den Strom durch die Spulen drehen, um einen Schritt zu gehen. Unsere Notwendigkeit, den Strom zu ändern, bedeutet, dass wir die Spulen nicht mehr direkt mit einem einzigen Transistor steuern können, sondern mit einer vollständigen h-Brückenschaltung. Der Bau der rechten H-Brücke ist mühsam (ganz zu schweigen von zwei!). Daher verwenden wir einen speziellen bipolaren Motortreiber (siehe Schritt 5).
Schritt 3: Schrittmotorspezifikationen verstehen
Lassen Sie uns darüber sprechen, wie die Motorspezifikationen ermittelt werden. Wenn Sie auf einen quadratischen Motor mit einer bestimmten dreiteiligen Baugruppe gestoßen sind (siehe Abbildung 3), handelt es sich höchstwahrscheinlich um einen NEMA-Motor. Die National Association of Electrical Manufacturers hat einen spezifischen Standard für Motorspezifikationen, der einen einfachen Buchstabencode verwendet, um den Durchmesser der Motorfrontplatte, die Art der Halterung, die Länge, den Phasenstrom, die Betriebstemperatur, die Phasenspannung, die Schritte pro Umdrehung und die Verkabelung zu bestimmen.
Motorpass lesen
Für den nächsten Schritt wird dieser unipolare Motor verwendet. Oben ist eine Datentabelle. Und obwohl es prägnant ist, bietet es uns alles, was wir für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigen. Schauen wir uns an, was in der Liste steht:
Phase: Dies ist ein vierphasiger unipolarer Motor. Der interne Motor kann eine beliebige Anzahl von realen Spulen haben, in diesem Fall sind sie jedoch in vier Phasen unterteilt, die unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Winkelabstand: Bei einer ungefähren Auflösung von 1,8 Grad pro Schritt erhalten wir 200 Schritte pro Umdrehung. Obwohl dies eine mechanische Auflösung ist, können wir mit Hilfe des Mikroübergangs diese Auflösung erhöhen, ohne den Motor zu verändern (mehr dazu in Schritt 5).
Spannung: Die Nennspannung dieses Motors beträgt 3 Volt. Dies ist eine Funktion des Stroms und des Nennwiderstands des Motors (Ohmsches Gesetz V = IR, daher 3V = 2A * 1,5Ω)
Strom: Wie viel Strom benötigt dieser Motor? Zwei Ampere pro Phase! Diese Zahl ist wichtig, wenn Sie unsere Leistungstransistoren für einen grundlegenden Steuerkreis auswählen.
Widerstand: 1,5 Ohm pro Phase begrenzen, welchen Strom wir jeder Phase zuführen können.
Induktivität: 2,5 mH. Die induktive Natur der Motorspulen begrenzt die Ladegeschwindigkeit der Spulen.
Haltemoment: Dies ist die tatsächliche Kraft, die wir erzeugen können, wenn Spannung an den Schrittmotor angelegt wird.
Haltemoment: Dies ist das Haltemoment, das wir vom Motor erwarten können, wenn er nicht erregt ist.
Isolationsklasse: Klasse B ist Teil des NEMA-Standards und gibt uns eine Bewertung von 130 Grad Celsius. Schrittmotoren sind nicht sehr effizient und der konstante Stromverbrauch führt dazu, dass sie im normalen Betrieb sehr heiß werden.
Wicklungsindikatoren: Drahtdurchmesser 0,644 mm, Anzahl Windungen im Durchmesser 15,5, Querschnitt 0,326 mm2
Spulenpaarerkennung
Obwohl der Widerstand der Spulenwicklungen von Motor zu Motor variieren kann, können Sie mit einem Multimeter den Widerstand an zwei beliebigen Drähten messen. Wenn der Widerstand <10 Ohm ist, haben Sie wahrscheinlich ein Paar gefunden! Dies ist im Grunde ein Testfehlerprozess, der jedoch für die meisten Motoren funktionieren sollte, es sei denn, Sie haben eine Teile- / Spezifikationsnummer.
Schritt 4: Direkte Steuerung von Schrittmotoren
Aufgrund der Position der Drähte in einem unipolaren Motor können wir die Spulen nacheinander mit nur einfachen Leistungs-MOSFETs einschalten. Die obige Abbildung zeigt eine einfache Schaltung mit einem MOS-Transistor. Mit dieser Anordnung können Sie den Logikpegel einfach mit einem externen Mikrocontroller steuern. In diesem Fall ist es am einfachsten, ein Intel Edison-Board mit einem stilbasierten Patch-Board zu verwenden. Arduinoum einen einfachen Zugriff auf das GPIO zu erhalten (jedoch reicht jedes Mikro mit vier GPIOs aus). Für diese Schaltung wird der N-Kanal-Hochleistungs-MOSFET IRF510 verwendet. Der IRF510, der bis zu 5,6 Ampere verbrauchen kann, verfügt über genügend freie Leistung, um die Motoranforderungen von 2 Ampere zu erfüllen. LEDs werden nicht benötigt, aber sie geben Ihnen eine gute visuelle Bestätigung des Arbeitsablaufs. Es ist wichtig zu beachten, dass der IRF510 einen Logikpegel von mindestens 5 V haben muss, damit er ausreichend Strom für den Motor verbrauchen kann. Die Motorleistung in dieser Schaltung beträgt 3 V.
Arbeitsablauf
Die vollständige Steuerung eines unipolaren Motors mit dieser Einstellung ist sehr einfach. Um den Motor zu drehen, müssen wir die Phasen im angegebenen Modus einschalten, damit er sich richtig dreht. Um den Motor im Uhrzeigersinn zu drehen, steuern wir die Phasen wie folgt: A1, B1, A2, B2. Um gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, ändern wir einfach die Richtung der Sequenz in B2, A2, B1, A1. Dies ist gut für die Grundsteuerung, aber was ist, wenn Sie mehr Genauigkeit und weniger Arbeit wünschen? Lassen Sie uns über die Verwendung eines dedizierten Treibers sprechen, um die Dinge viel einfacher zu machen!
Schritt 5: Schrittmotortreiberplatinen
Wenn Sie mit der Steuerung von Bipolarmotoren (oder unipolaren Motoren in einer bipolaren Konfiguration) beginnen möchten, benötigen Sie eine spezielle Treibersteuerkarte. Das Foto oben zeigt den Big Easy Driver und die Trägerplatine für den Schrittmotortreiber A4988. Beide Platinen sind Leiterplatten für den zweipoligen Allegro A4988-Schrittmotortreiber Mikroschritt, der bei weitem einer der häufigsten Chips für den Antrieb kleiner Schrittmotoren ist. Diese Platinen verfügen nicht nur über die erforderlichen Doppel-H-Brücken zur Steuerung eines Bipolarmotors, sondern bieten auch viele Optionen für winzige, kostengünstige Verpackungen.
Installation
Diese Universalplatinen haben eine erstaunlich niedrige Verbindung. Sie können den Motor über nur drei Verbindungen (nur zwei GPIOs) mit Ihrem Hauptcontroller steuern: gemeinsame Masse, Neigung und Richtung. Der Schrittschritt und seine Richtung bleiben schwebend, daher müssen Sie sie mit einem Lastwiderstand an die Referenzspannung binden. Der an den STEP-Pin gesendete Impuls bewegt den Motor einen Schritt mit einer Auflösung gemäß den Mikroschritt-Referenzstiften. Der Logikpegel am DIR-Pin bestimmt, ob sich der Motor im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Mikroschrittmotor
Je nachdem, wie die Stifte M1, M2 und M3 installiert sind, können Sie durch Mikroschritt eine höhere Motorauflösung erzielen. Der Mikroschritt umfasst das Senden einer Vielzahl von Impulsen, um den Motor zwischen der elektromagnetischen Auflösung der physikalischen Magnete im Rotor zu ziehen, was eine sehr genaue Steuerung ermöglicht. A4988 kann vom vollständigen Schritt zur Auflösung des sechzehnten Schritts übergehen. Mit unserem 1,8-Grad-Motor können bis zu 3200 Schritte pro Umdrehung ausgeführt werden. Sprechen Sie über die kleinen Details!
Codes / Bibliotheken
Das Anschließen von Motoren kann einfach sein, aber wie sieht es mit deren Steuerung aus? Schauen Sie sich diese vorgefertigten Codebibliotheken für die Schrittmotorsteuerung an:
Stepper - Mit dem in die Arduino IDE integrierten Klassiker können Sie einen grundlegenden Schritt ausführen und die Rotationsgeschwindigkeit steuern.
Stepper beschleunigen - Eine viel umfangreichere Bibliothek, mit der Sie mehrere Motoren besser steuern und die korrekte Beschleunigung und Verzögerung des Motors gewährleisten können.
Intel C ++ MRAA Stepper - Eine Bibliothek auf niedrigerer Ebene für diejenigen, die sich mit der Verwaltung des rohen C ++ - Schrittmotors mit Intel Edison befassen möchten.
Dieses Wissen sollte ausreichen, um zu verstehen, wie man mit Schrittmotoren in der elektromechanischen Welt arbeitet, aber dies ist nur der Anfang.
