ארדואינו ומנוע צעד: יסודות, סכמות, חיבור ושליטה

מנועי צעד משמשים לבקרת המיקום של משהו, או לסיבוב יחידת העבודה במהירות ובזווית נתונה. תכונות כאלה אפשרו להשתמש בו ברובוטיקה, מכונות מבוקרות מספרי (CNC) ומערכות אוטומציה אחרות. במאמר זה נשקול מספר סוגיות הקשורות לבניית מנועי צעד וכיצד לשלוט בהם באמצעות בקר מיקרו Arduino.

מנוע צעד שונה מהרגיל

כל המנועים החשמליים המשמשים בפועל פועלים עקב תופעות ותהליכים אלקטרודינמיים המתרחשים בשדות המגנטיים של הרוטורים והסטטורים. כפי שכבר הזכרנו, כל מנוע מורכב משני חלקים לפחות - נייד (רוטור) וחסר תנועה (סטטור). לצורך סיבובו, הכרחי שהשדה המגנטי יסתובב גם הוא. שדה הרוטור מסתובב אחרי שדה הסטטור.

באופן עקרוני, מספיק מידע בסיסי כזה בכדי להבין את התמונה הכללית של פעולת מנועים חשמליים. עם זאת, למעשה, התעשייה מייצרת אפשרויות מוטוריות שונותביניהם:

1. כלוב סנאי או מנוע אינדוקציה של רוטור פצע.

2. מנוע סינכרוני עם פיתולי שדה או עם מגנטים קבועים.

3. מנוע DC.

4. מנוע אספן אוניברסלי (זה עובד גם על זרם ישיר וגם על זרם חילופין, מכיוון שפתולי הרוטור עצמם מחוברים ומנותקים ממגעי מקור הכוח עקב תכנון של לאמות ועוגנים).

5. מנועי DC ללא מברשות (BLDC).

6. סרווס.

7. מנועי צעד.

שני המינים האחרונים הם בעלי ערך מיוחד, בגלל האפשרות למיקום שלהם, במידה מסוימת, במדויק בחלל. בואו נסתכל מקרוב על העיצוב של מנוע צעד.

הגדרה

מנוע צעד נקרא מנוע סינכרוני ללא מברשות. מספר מסוים של פיתולים ממוקמים על הסטטור, אשר חיבורם גורם לרוטור להסתובב זווית מסוימת, תלוי במספר המדרגות. במילים אחרות, הזרם המתפתל בסטטור גורם לפיר להסתובב בזווית נפרדת.

עם שינוי אחיד ורצף אחר בקוטביות המתח על פני העקמומיות ומיתוג הפיתולים המופעלים, מנוע צעד מסתובב, בדומה למנוע חשמלי קונבנציונאלי, למרות שלמעשה סיבוב רגיל בזווית קבועה פשוט מתרחש.

מנוע צעד נקרא לעיתים המנוע. עם מספר סופי של עמדות הרוטור. זה לא נשמע מאוד ברור, בואו נגלה את זה. דמיין מנוע קונבנציונאלי - מיקום הרוטור שלו אינו קבוע בשום דרך, כלומר הוא פשוט מסתובב בזמן שהחשמל מחובר, וכשהוא מכבה, הוא נעצר לאחר זמן מה, תלוי באינרציה שלו. תנוחות הרוטור יכולות להיות כמה שתרצו, אך הן יכולות להיות שונות לפי השברים הקטנים ביותר של תואר.

במנוע צעד, חיבור מתפתל או מספר פיתולים גורם ל"מגנטציה "של הרוטור ביחס לסיבובים אלה. כלפי חוץ זה נראה בדיוק כמו לסובב את המוט בזווית מסוימת (המגרש). מכיוון שמספר המדרגות הוא אחד המאפיינים החשובים של סוג זה של כונן חשמלי, מספר עמדות הרוטור שווה למספר המדרגות. למתחילים קשה להבין איך זה יכול להיות ואיך זה מסתובב במקרה זה - למעשה, הכל די פשוט, אנו נראה זאת באיורים והתיאורים שלהלן.

בנייה

פיתולי ריגוש קבועים על הסטטור של המנוע החשמלי. הרוטור שלו עשוי מחומרים מגנטיים רכים או מגנטיים קשים. החומר של הרוטור תלוי במומנט ובקיבוע הפיר באמצעות פיתולי אנרגיה. פרמטרים אלה יכולים להיות קריטיים.

לכן, נבדלים בין רוטורים מוצקים מגנטיים (הם גם עם מגנטים קבועים) ורוטורים רכים (מגיבים) מגנטיים, בנוסף להם ישנם רוטורים היברידיים.

הרוטור ההיברידי מיוצר בשיניים, מספר השיניים מתאים למספר המדרגות. השיניים ממוקמות לאורך ציר הרוטור. יתר על כן, רוטור כזה מחולק לשני חלקים לרוחב. ביניהם מותקן מגנט קבוע, כך שכל אחד מחצי הרוטור הוא עמוד מגנט. כמו כן יש לומר כי מחצית הרוטור מסתובב מחצית גובה השיניים יחסית זה לזה.

כאמור, מנוע כזה הוא סינכרוני, ותהליך סיבובו הוא יצירת שדה מסתובב של הרוטור, אותו מבקש הרוטור המגנטי, וזה מתממש על ידי מיתוג הפיתולים על ידי הבקר בתורו.

סוגים של מנועי צעד לתכנון סלילים מחולקים לשלוש קבוצות עיקריות בהתאם לתכנית החיבור של הפיתולים:

1. דו קוטבית.

2. חד קוטבי.

3. עם ארבע פיתולים.

לרוב המנועים החשמליים הדו קוטביים יש ארבעה אנשי קשר - אלה מסקנות משני פיתולים. בתוך המנוע הם בדרך כלל לא קשורים זה לזה. הבעיה העיקרית היא שיש לדאוג להחלפת קוטביות הכוח, מה שאומר שהנהג ותהליך הבקרה עצמו יתסבכו.

חד-קוטביים דומים לחיבור הפיתולים בהתאם לדפוס הכוכב. במילים אחרות, יש לך 5 מסקנות - 4 מהן הן קצוות הפיתולים, ו -1 היא נקודת החיבור של כל הפיתולים.

כדי לשלוט במנוע כזה, אתה רק צריך לספק לסירוגין כוח לכל קצה המתפתל (או כמה מהם, תלוי במצב הסיבוב שנבחר), בדרך זו מחצית מהסלילה תפעל בכל פעם. זה יכול לעבוד במצב דו קוטבי, אם אתה מאכיל את כל המתפתל לחלוטין עוקף את הברז מאמצעו.

מנועים עם 4 פיתולים הם בעלי היתרון בכך שתוכלו לחבר את הפיתולים בכל דרך שנוחה לכם ולקבל גם דו דו קוטבי וגם מנוע חד קוטבי.

מצבי בקרה

ישנם 4 מצבי בקרת מנוע צעד עיקריים:

1. בקרת גלים.

2. שלב מלא.

3. חצי צעד.

4. מיקרוסקופ

וולנוב שליטה נקראת שליטה על סלילה אחת. כלומר במקביל, הזרם זורם באחת מהסלילה, ומכאן שתי תכונות ייחודיות - צריכת חשמל נמוכה (זה טוב) ומומנט נמוך (זה רע).

במקרה זה, מנוע זה לוקח 4 צעדים במהפכה אחת. מנועים אמיתיים נוקטים עשרות צעדים במהפכה אחת, זה מושג על ידי מספר רב של אלטרנטיבות של קטבים מגנטיים.

ניהול שלב מלא הוא הנפוץ ביותר. כאן המתח מסופק לא למתפתל אחד, אלא לשניים בבת אחת. אם הפיתולים מחוברים במקביל, אז הזרם מכפיל, ואם בסדרה, מתח האספקה ​​מכפיל, בהתאמה. מצד אחד, בשיטת בקרה זו, המנוע צורך יותר אנרגיה, ומצד שני 100% מומנט, שלא כמו הקודם.

בקרת חצי צעד מעניין בכך שניתן להתמקם בצורה מדויקת יותר של ציר המנוע, בגלל העובדה שמוסיפים חצאים למדרגות שלמות, הדבר מושג על ידי שילוב של שני מצבי הפעולה הקודמים, והפיתולים מתחלפים, ואז נדלקים בזוגות, ואז אחד בכל פעם.

כדאי לקחת בחשבון כי הרגע על הציר צף בין 50 ל- 100%, תלוי אם כרגע מדובר בפיתולי 1 או 2 שתי פיתולים.

מדויק אפילו יותר מיקרוסקופ. זה דומה לקודם, אך שונה בכך שהעוצמה לפיתולים אינה מסופקת במלואה, אלא משתנה בהדרגה. לפיכך, מידת ההשפעה על הרוטור של כל אחד מהסלילה משתנה וזווית הסיבוב של הפיר בצעדים ביניים משתנה בצורה חלקה.

איפה ניתן להשיג מנוע צעד

תמיד יהיה לכם זמן לקנות מנוע צעד, אבל חובבי רדיו אמיתיים, אנשים תוצרת בית ומהנדסים אלקטרוניים מפורסמים בעובדה שהם יכולים לעשות משהו מועיל מהזבל. בטח שיש לך לפחות מנוע צעד אחד בבית. בואו נגלה היכן לחפש כדי למצוא מנוע כזה.

1. המדפסת.מנועי צעד יכולים לעמוד על סיבובו של פיר הזנת הנייר (אך יתכן שיש גם מנוע DC עם חיישן תזוזה).

2. סורקים ו- MFPs. סורקים מתקינים לעיתים קרובות מנוע צעד וחלק מכני שלאורכו מוביל העגלה, חלקים אלה יכולים גם להיות מועילים בפיתוח מכונת CNC ביתית.

3. כונני CD ו- DVD. אתה יכול גם לקבל מוטות ו פירי בורג למוצרים תוצרת בית וסוגים שונים של CNC בהם.

4. כונני תקליטונים. לדיסקים יש גם מנועי צעד, בעיקר קבצי תקליטונים בפורמט 5.25 ”.

נהג מנוע צעד

כדי לשלוט במנועי צעד השתמשו במעגלי מיקרו נהגים מיוחדים. לרוב זהו גשר H של טרנזיסטורים. בזכות הכללה זו ניתן להפעיל את מתח הקוטביות הרצוי לסלילה. שבבים אלה מתאימים גם לשליטה במנועי DC עם תמיכה לשינוי כיוון הסיבוב.

באופן עקרוני ניתן להפעיל ישירות מנועים קטנים מאוד מהסיכות של המיקרו-בקר, אך בדרך כלל הם נותנים עד 20-40 mA, שברוב המקרים זה לא מספיק. לכן הנה כמה דוגמאות לנהגים למנועי צעד:

1. לוחות המבוססים על L293D. יש הרבה כאלה, אחד מהם נמכר תחת המותג המקומי אמפרקה תחת השם טרויקה סטפר, דוגמא לשימוש בו בפרויקט אמיתי מוצג בסרטון למטה. היתרון בלוח הספציפי הזה הוא שיש לו שבבי היגיון שיכולים להפחית את מספר הסיכות המשמשות לשליטה עליו.

השבב עצמו פועל תחת מתח של 4.5-36V ומפיק זרם של עד 600mA-1A, תלוי במקרה ה- IC.

2. מנהל התקן מבוסס A4988. הוא מופעל על ידי מתח עד 35 וולט, יכול לעמוד בזרם עד 1A ללא רדיאטור, ועם רדיאטור עד 2A. הוא יכול לשלוט במנוע, גם בשלבים שלמים וגם בחלקים - מ- 1/16 שלב למדרגה אחת, רק 5 אפשרויות. מכיל שני גשרים H. באמצעות נגן הכוונון (נראה בתמונה הימנית), באפשרותך להגדיר את זרם הפלט.

גודל הצעד נקבע על ידי האותות בכניסות MS1, MS2, MS3.

להלן תרשים של חיבורו, כל דופק בכניסה STEP מכוון את המנוע לסיבוב שלב אחד או מיקרו-שלב.

3. הנהג מבוסס ULN2003 עובד עם מנועי 5 ו 12 וולט ומפיק זרם של עד 500 mA. ברוב הלוחות ישנם 4 נוריות LED המציינות את פעולתו של כל ערוץ.

גם על הלוח תוכלו לראות את גוש המסוף לחיבור מנועים, אגב, רבים מהם נמכרים באמצעות מחבר זה. דוגמא למנוע כזה הוא דגם 5V - 28BYJ-48.

ואלו לא כל אפשרויות הנהג למנועי צעד, למעשה יש אפילו יותר מהן.

חיבור לנהג Arduino ומנוע צעד

ברוב המקרים, עליך להשתמש במיקרו-בקר המשויך לנהג עבור מנוע צעד. בואו נסתכל על דיאגרמת החיבור ודוגמאות הקוד. שקול חיבור מבוסס על מנהל ההתקן העדכני ביותר המופיע ברשימה - ULN2003 ללוח ארדואינו. וכך יש לו 4 כניסות, הם חתומים כ- IN1, IN2 וכו '. הם צריכים להיות מחוברים לפינים הדיגיטליים של לוח Arduino, ויש לחבר מנוע לנהג כפי שמוצג באיור למטה.

יתר על כן, בהתאם לשיטת הבקרה, עליך להחיל על הכניסות 1 או 0 מהסיכות הללו כולל פיתולי 1 או 2 ברצף הנדרש. הקוד לתוכנית הבקרה המלאה נראה כמו זה:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

הגדרת ביטול () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

לולאת חלל () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

עיכוב (dl);

}

 

זה כולל פיתולים ברצף הבא:

להלן הקוד למצב חצי שלב, כפי שאתה יכול לראות, הוא הרבה יותר נפח, מכיוון שהוא כרוך במספר גדול יותר של פיתולי מיתוג.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

הגדרת ביטול () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

לולאת חלל () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

עיכוב (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

עיכוב (dl);

}

 

תוכנית זו כוללת פיתולים כדלקמן:

כדי לאחד את המידע שהתקבל, צפה בסרטון הווידיאו השימושי:

מסקנה

מנועי צעד הם פופולריים בקרב ארדנים יחד עם סרוומכיוון שהם מאפשרים לך ליצור רובוטים ומכונות CNC. זה האחרון נעזר בשפע בשוק המשני של כונני כונן אופטיים משומשים במיוחד.