Capitolul 24 - Controlul motorului pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt în general motoare electrice de curent continuu a căror funcție principală nu este de a efectua o rotație continuă, ci de a efectua pași cu o rotație unghiulară specifică. Există trei tipuri principale: reluctanță variabilă (în mod obișnuit 7,5 °; trepte de 15 °), magnet permanent (tipic 1,8 °; 7,5 °; 15 °; trepte de 30 °) și motoare pas cu pas hibride (de obicei, trepte de 0,9 ° și 1,8 °). Nu este sarcina acestui manual să discute despre construcția motoarelor pas cu pas; mai degrabă, va fi controlul lor. Există o vastă literatură despre tipurile, proiectarea, funcționarea și controlul motoarelor pas cu pas. De exemplu, un scurt rezumat poate fi găsit în [8] și [9], iar explicații cu ilustrații frumoase pot fi găsite în [10].

Rotorul motorului pas cu pas este înconjurat de bobine tip DC montate pe stator. Prin pornirea și oprirea bobinelor în ordinea corectă, este posibil să vă asigurați că rotorul se rotește întotdeauna într-o anumită măsură. Nu este necesară nici o perie la aceste motoare. Când vă apropiați de o anumită poziție, reticența magnetică minimă se formează cu termenul tehnic deja menționat. În acest caz, liniile magnetice de forță sunt cele mai scurte.

Motoarele pas cu pas sunt preferate pentru utilizare în aplicații mecatronice: brațele robotului, capetele de citire, capetele mobile, imprimantele, plotterele, mașinile de frezat circuite, strungurile de precizie etc. Motoarele pas cu pas hibride sunt de obicei utilizate pentru aplicații de precizie. Pentru acestea, este adevărat că, dacă există n faze (o pereche de bobine sau o bobină divizată) pe statorul motorului și m dinți pe rotor, rotația completă constă în nm trepte.

În acest manual, oferim o scurtă descriere a două tipuri principale care sunt importante pentru noi și vom folosi un motor pas cu pas bipolar.

24.1. Motoare pas cu pas unipolare și bipolare

În ceea ce privește direcția curentă, două clase majore de motoare pas cu pas sunt motoarele pas cu pas unipolare și bipolare. Cuvântul unipolar înseamnă că orice bobină este în ea, direcția curentului nu se schimbă în timpul funcționării. Pornirea și oprirea pot și se întâmplă, desigur. A [24.1. figura]. Figura 1 prezintă o abordare infinit simplificată a unui motor pas cu pas unipolar. Săgeata care reprezintă rotorul trebuie interpretată aici ca un magnet permanent. Prin setarea fiecărui semnal de control (1a, 1b, 2a, 2b) la un nivel de tensiune scăzută (masă), curentul începe întotdeauna într-o singură bobină, adică o singură bobină acționează ca un electromagnet. Între timp, celelalte semnale de control stau la niveluri de înaltă tensiune. În figură, este necesară următoarea secvență de semnale pentru a roti o dată rotorul reprezentat de săgeată (semnalul menționat înseamnă întotdeauna potențial la sol): 1a, 2a, 1b, 2b. La începutul repetării secvenței de semnal, a avut loc rotunjirea.

Dacă există întotdeauna o singură bobină care acționează ca un electromagnet, vorbim despre un mod cu pas complet. Dacă, pe de altă parte, două bobine adiacente acționează, de asemenea, ca electro-magneți, rotorul va fi setat între cele două și va fi implementat un mod cu jumătate de pas. În ilustrație, secvența de semnal necesară pentru aceasta este: 1a, 1a-2a, 2a, 2a-1b, 1b, 1b-2b, 2b, 2b-1a. Primul element al repetării secvenței va fi complet.

Este destul de dificil să obțineți ieftin un motor pas cu pas unipolar (posibil de la un dispozitiv obișnuit spart). Interesant este că rareori apare la dispozitivele noastre de acasă. Cu toate acestea, un motor pas cu pas bipolar este foarte probabil să fie găsit în arzătoarele de CD mai vechi și în imprimantele cu jet de cerneală. Este folosit în ambele dispozitive pentru a mișca capul. (Acestea sunt aplicații de precizie, așa că suntem suspectați că întâlnim motoare pas cu pas hibride.)

A [24.2. figura]. Figura 1 prezintă un model simplificat al unui motor pas cu pas bipolar. Și aici, săgeata care reprezintă rotorul trebuie interpretată ca un magnet permanent. Acest aranjament nu necesită o linie electrică separată, dar direcția curentă se va schimba în bobine în timpul funcționării. Astfel, presupunând un curent constant, pot apărea trei cazuri: curentul curge într-o direcție, curentul curge într-o altă direcție, nu curge curent. A [24.2. figura]. Conform modelului prezentat în Fig. 1, următoarele niveluri de semnal sunt necesare pentru rotația completă în modul pas complet (celelalte stau la zero): (–1a, + 1b), (–2a, + 2b), (+ 1a, –1b), (+ 2a, - 2b). Modul în jumătate de pas poate fi implementat și aici: (–1a, + 1b),

(-1a, + 1b, -2a, + 2b), (-2a, + 2b), (-2a, + 2b, + 1a, -1b), (+ 1a, -1b), (+ 1a, -1b ), + 2a, -2b), (+ 2a, -2b), (+ 2a, -2b, -1a, + 1b). În cazul primelor două secvențe de semnal, semnul negativ accentuează doar polaritatea, semnalul negativ poate fi identificat în mod excepțional de potențialul de la sol (GND)! Respectați [24.2. figura]. că două bobine nu sunt independente una de cealaltă, deci numele perechii de bobine este mult mai justificat.

În parametrii motoarelor pas cu pas găsim și bifazate, trifazate etc. tot din punct de vedere tehnic. Aceasta înseamnă câte bobine independente (sau perechi de bobine) conține motorul. În consecință, [24.1. figura]. Schema prezentată în Fig. 24.2 prezintă un motor cu patru faze (dar unipolar) pas cu pas; figura]. Cu toate acestea, schema prezentată în Figura 1 ilustrează doar un motor cu două faze (dar bipolar) pas cu pas.

24.2. Controlul motoarelor pas cu pas bipolare

Curentul poate circula în ambele direcții pe bobinele motoarelor pas cu pas bipolare. Furnizarea acestui lucru nu este o chestiune de curs, dar soluția pe care o numim astăzi H-Bridge a ieșit odată din mintea cuiva. A [24.3. figura]. Figura 1 prezintă o diagramă esențială a podului H fără rezistențe. Cu podul H putem schimba direcția curentului pe o singură bobină. Dacă nivelul semnalului A este scăzut și semnalul B este ridicat, tranzistoarele din stânga sus și din dreapta jos se deschid, iar celelalte două se închid. Curentul curge apoi spre dreapta pe bobină în aranjamentul prezentat în figură. Dacă cele două niveluri de semnal sunt inversate pe A și B, curentul curge spre stânga pe bobină. Pe bobină nu circulă curent la același nivel de semnal. Este foarte important ca și utilizarea diodelor de protecție să fie necesară și aici. În absența acestora, atunci când curentul bobinei este oprit sau se schimbă direcția, pulsul de tensiune rezultat se poate rupe prin tranzistoare.

Am dori să adăugăm atât de multe comentarii la H-bridge încât, dacă căutăm pe net o astfel de conexiune teoretică, vom găsi adesea o soluție în care toți cei patru tranzistori sunt de tip npn (sau viceversa; pnp) și bazele dintre tranzistoare nu sunt conectate. Cu toate acestea, oricui care a asamblat deja o punte H din tranzistoare este garantat să întâmpine problema că, în cazul a patru tranzistoare identice, trebuie să alegem rezistențe de bază diferite pentru resp. „Superioară”. Pentru tranzistoarele „inferioare” și chiar și așa, nu putem conduce motorul la curent maxim din cauza căderilor de tensiune intermediare. Este de neînțeles, dar desenele de circuit cu doi tranzistori npn și doi pnp apar în proporții mult mai mici. Și acest lucru elimină problemele cu circuitele construite din patru tranzistori identici! Conexiunea bazelor perechilor de tranzistori duali (desigur că rezistența nu poate fi omisă în circuitele practice) asigură o funcționare convenabilă dacă tensiunea de alimentare a motorului este aceeași cu cea a semnalelor de control. A [24.3. figura]. În Fig. 1, aceasta înseamnă că semnalele de control A și B pot lua, de asemenea, nivelul + U sau GND.

A pune împreună un pod în H este ca și cum ai construi un castel de cărți. La început este distractiv, dar probabil că vom scăpa de el în curând. Acesta este și cazul întrucât sunt disponibile mai multe IC-uri țintă pentru controlul motoarelor pas cu pas bipolare; precum L293D folosit în manual. Aceasta include deja diode de protecție, astfel încât să putem controla motorul nostru pas cu pas cu foarte puține componente. În plus, două bobine necesită două punți H complete și a

IC-urile țintă conțin de obicei doar atât. Nu întâmplător.

După ce am descris cele de mai sus, am ajuns la punctul de a ne obține un motor pas cu pas. Dacă ne gândim în principal la hobby-uri și practică, atunci, conform experienței autorului, cel mai simplu caz este să ne obținem un cititor de CD folosit pentru un computer mai vechi. Un motor pas cu pas ușor de manevrat în acel moment a fost încorporat în acestea, vezi [24.4. figura]. figura. (Prinderea de mașini uzate care pot fi recomandate pentru cumpărare, oferind „recompense de serviciu” pentru prietenii de service sau vizite intensive pe piețele lomis ...) Accentul pe modelele mai vechi este justificat, deoarece cele mai noi folosesc de obicei motoare de curent continuu și vom fi dezamăgiți. Din păcate, tipul motorului nu este vizibil din exteriorul unității. O altă opțiune este de a elimina motorul pas cu pas de pe imprimantele cu jet de cerneală rupte.

A [24.4. figura]. Astfel, motorul pas cu pas al unității scoase din cititorul de CD prezentat în Fig. 1 este bipolar. Acest fapt este indicat de cele patru terminale, cf. [24.2. figura]. figura. Cadrantul de sârmă acoperit cu culoare prezentat în partea de sus a figurii este rezultatul post-lipire. În rest, va fi o informație foarte importantă pentru noi că rezistența bobinelor motorului este de 10 Ω, ceea ce poate însemna un consum de curent de 500 mA per bobină la o tensiune de alimentare de 5 V! Acest lucru depășește cu mult capacitatea de încărcare a portului USB.

24.3. Mutarea motorului

După subsecțiunile anterioare, a sosit timpul să formulăm ultimele sarcini ale manualului. Acum nu numai că intermitem, afișăm, primim și trimitem date, comutăm, controlăm, ci și ne mutăm.

Mutați cele două butoane de pe panoul ADuC la unul sau altul. un motor pas cu pas în cealaltă direcție; în modul pas complet. [Cod50]

Rezolvăm problema prin [24.4. figura]. În cazul dispozitivului prezentat în FIG. Acesta din urmă își pierde funcția la noi, vom admira doar mișcarea capului înainte și înapoi și plantarea unei figuri LEGO pe ea.

Alocarea pinului IC L293D și conexiunea bobinelor motorului sunt prezentate în [24.5. figura]. spectacole. Bobinele C1 și C2 simbolizează cele două bobine (sau perechi de bobine) ale motorului pas cu pas. Simbolul VS indică tensiunea de alimentare a motorului în conformitate cu fișa tehnică. Pentru noi, acesta este, de asemenea, +5 V, nu doar nivelul semnalului semnalelor logice.

Determinarea rolului celor patru fire care ies din motor necesită adesea o orientare unică. Cu un multimetru, putem determina cu ușurință ce două fire aparțin unei bobine (sau unei perechi de bobine), deoarece putem măsura o rezistență fină mică pe acestea. Dacă se apucă două fire neinterconectate, acestea se vor comporta evident ca o rupere. În multe cazuri, cel mai bun mod de a determina secvența de pas este de a conecta manual terminalele motorului de pe panoul de testare la sursa de alimentare și la masă fără un circuit de control. În cazul unei secvențe defecte, motorul va scârțâi doar înainte și înapoi, în timp ce, dacă vom atinge secvența corectă, va porni într-o direcție într-un mod clar recunoscut. Din motive de siguranță, să redăm semnalele în ordine inversă pentru a vedea dacă totul va fi bine, chiar dacă vă mișcați în direcția opusă! Notați ordinea frumoasă și încorporați-o în programul dvs.!

Am menționat în subsecțiunea anterioară că rezistența bobinelor motorului pas cu pas este de 10 Ω, ceea ce înseamnă un consum de curent de 500 mA la o tensiune de alimentare de +5 V. Pentru două bobine, acesta este 1 A, astfel încât portul USB al unui PC de câmp nu mai poate rezolva acest lucru, deoarece de obicei poate fi încărcat doar cu 500 mA. Dar nimic nu este în neregulă cu [22.10. figura]. Adaptorul are o capacitate de încărcare de 1,2 A, ceea ce este perfect pentru noi. Aspectul în sine este prezentat în [24.6. figura]. prezentat în figura.

Imediat după modul cu pas complet, apare următoarea sarcină:

Mutați cele două butoane de pe panoul ADuC la unul sau altul. un motor pas cu pas în cealaltă direcție; în modul jumătate de pas. [Cod 51]

Va exista o singură diferență în comparație cu [Sarcina 37], dar subliniem acest lucru: conducem motorul în modul jumătate de pas. Situația este că aici, în loc de 4, vor exista 8 elemente ale secvenței de pași, deoarece în jumătatea pașilor ambele perechi de bobine sunt sub curent. Aceasta are ca rezultat următoarea listă pentru tiparele de biți înregistrate în memoria codului (și poate fi găsit într-un program numit Code51).

Observați că fiecare al doilea rând este o uniune de două elemente adiacente. Mai degrabă, este valoarea generată de operația SAU. Deoarece acum avem 8 articole, codul este modificat în doar două rânduri în plus față de cele de mai sus. Ceea ce am evidențiat în galben în Code50 trebuie acum rescris ca:

Și s-a făcut, deoarece putem reprezenta numere de la 0 la 7 în cei trei biți inferiori, și asta este exact ceea ce este necesar în acest caz. Mutarea motorului funcționează și funcționează perfect. Și acum putem rezolva acest lucru în orice moment, cu aproape orice motor pas cu pas ...